VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

NÁVRH HPV DESIGN OF HPV

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE BC. ADAM SCHNEIDER AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE DOC. ING. ZDENĚK KAPLAN, CSC. SUPERVISOR

BRNO 2011

ʧ•±µ7 «8»²3 ¬»½¸²·½µ7 ª Þ®²4ô Ú¿µ«´¬¿ •¬®±¶²3¸± ·²‚»²#®•¬ª3 F•¬¿ª ¿«¬±³±¾·´²3¸± ¿ ¼±°®¿ª²3¸± ·²‚»²#®•¬ª3 ßµ¿¼»³·½µ# ®±µæ îðïðñîðïï

ÆßÜ_ÒS Ü×ÐÔÑÓÑÊW ÐÎ_ÝÛ

•¬«¼»²¬øµ¿÷æ Þ½ò ß¼¿³ ͽ¸²»·¼»® µ¬»®#ñµ¬»®? •¬«¼«¶» ª ³¿¹·•¬»®•µ7³ ²¿ª¿¦«¶3½3³ •¬«¼·¶²3³ °®±¹®¿³« ±¾±®æ ß«¬±³±¾·´²3 ¿ ¼±°®¿ª²3 ·²‚»²#®•¬ª3 øîíðïÌðíè÷

H»¼·¬»´ &•¬¿ª« Ê?³ ª •±«´¿¼« •» ¦?µ±²»³ 8òïïïñïççè ± ª§•±µ#½¸ †µ±´?½¸ ¿ •» ͬ«¼·¶²3³ ¿ ¦µ«†»¾²3³ (?¼»³ ÊËÌ ª Þ®²4 «®8«¶» ²?•´»¼«¶3½3 ¬7³¿ ¼·°´±³±ª7 °®?½»æ

Ò?ª®¸ ØÐÊ

ª ¿²¹´·½µ7³ ¶¿¦§½»æ

Ü»•·¹² ±º ØÐÊ

ͬ®«8²? ½¸¿®¿µ¬»®·•¬·µ¿ °®±¾´»³¿¬·µ§ &µ±´«æ ʧ°®¿½«¶¬» ·¼»±ª# ²?ª®¸ ²»¬®¿¼·8²3¸± •·´²·8²3¸± ª±¦·¼´¿ °±¸?²4²7¸± ´·¼•µ±« •·´±«ò Ü·°´±³±ª? °®?½» ¾«¼» ±¾•¿¸±ª¿¬æ ó±¾»½²# &ª±¼ ¼± °®±¾´»³¿¬·µ§ ØÐÊô ó·¼»±ª# ²?ª®¸ °±¸±²« ØÐÊô óµ±²•¬®«µ8²3 ²?ª®¸ ®?³«ô 󰻪²±•¬²3 µ±²¬®±´« ®?³«ô óª#µ®»• •»•¬¿ª§ ®?³«ô óª#µ®»•§ ª§¾®¿²#½¸ •±«8?•¬3 ª±¦·¼´¿ò

Ý3´» ¼·°´±³±ª7 °®?½»æ Ѿ•¿¸»³ °®?½» ¶» ·¼»±ª# ²?ª®¸ ²»¬®¿¼·8²3¸± •·´²·8²3¸± ª±¦·¼´¿ °±¸?²4²7¸± ´·¼•µ±« •·´±«ô ª8»¬²4 µ±²•¬®«µ8²3¸± ²?ª®¸« ®?³«ò Í»¦²¿³ ±¼¾±®²7 ´·¬»®¿¬«®§æ ß´´¿² Êò ß¾¾±¬¬ô Ü¿ª·¼ Ù±®¼±² É·´•±²æ Ø«³¿² б©»®»¼ Ê»¸·½´»•

Ê»¼±«½3 ¼·°´±³±ª7 °®?½»æ ¼±½ò ײ¹ò Ƽ»²4µ Õ¿°´¿²ô Ýͽò

Ì»®³3² ±¼»ª¦¼?²3 ¼·°´±³±ª7 °®?½» ¶» •¬¿²±ª»² 8¿•±ª#³ °´?²»³ ¿µ¿¼»³·½µ7¸± ®±µ« îðïðñîðïïò Ê Þ®²4ô ¼²» ïçòïïòîðïð

ÔòÍò

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ °®±ºò ײ¹ò Ê?½´¿ª Ð3†¬4µô ܮͽò °®±ºò ÎÒÜ®ò Ó·®±•´¿ª ܱ«°±ª»½ô Ýͽò H»¼·¬»´ &•¬¿ª« Ü4µ¿² º¿µ«´¬§ Anotace

Práce se zabývá vozidly na lidský pohon. Obsahuje jejich historii, rozdělení, příklady, ale především návrh nového netradičního vozidla s unikátní pohonnou soustavou.

Klíčová slova

HPV, jízdní kolo, šlapání, veslování

Annotation

This thesis deals with human powered vehicles. It contains history, division, examples of these vehicles, but especially design of quite new vehicle with an unique driving mechanism.

Keywords

HPV, bicycle, pedalling, rowing

Bibliografická citace

SCHNEIDER, A. Návrh HPV. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 101 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc..

Čestné prohlášení

Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Ing. Zdeňka Kaplana, CSc. a s použitím literatury uvedené v seznamu.

V Brně dne 26. května 2011 …….……..………………………………………….. Adam Schneider

Poděkování

Děkuji touto cestou doc. Ing. Zdeňku Kaplanovi, CSc. za nabídnutí velmi zajímavého tématu pro závěrečnou práci a podporu při jejím zpracování.

Velmi děkuji celé své rodině za to, že mi umožnila absolvovat vysokoškolské studium zakončené touto prací.

Obsah

Obsah

ÚVOD ...... 10 1 HISTORIE HPV ...... 11

1.1 HISTORIE BICYKLŮ ...... 11 2 BEZPEČNÝ PROVOZ HPV ...... 16 3 LEGISLATIVA PRO HPV ...... 19 4 MOŽNOSTI POHONU HPV ...... 22

4.1 ŠLAPÁNÍ ...... 22 4.2 RUČNÍ ROTAČNÍ POHON...... 23 4.3 VESLOVÁNÍ ...... 24 5 VYBRANÁ HPV...... 27

5.1 BEZPEČNÉ JÍZDNÍ KOLO ...... 27 5.2 LEHOKOLO ...... 28 5.3 AZUB 5 ...... 30 5.4 SCULLTREK ...... 30 5.5 ROWBIKE ...... 31 5.6 ROWINGBIKE ...... 32 6 VOLBA KONCEPCE HPV ...... 34

6.1 VOLBA POHONU HPV ...... 34 7 OBJASNĚNÍ FUNKCE POHONU ...... 35 8 JEDNOTLIVÉ KONSTRUKČNÍ PRVKY ...... 37

8.1 ŘEMENOVÝ PŘEVOD ...... 37 8.1.1 Ozubený řemen ...... 37 8.1.2 Řemenice ...... 40 8.2 ŘETĚZOVÝ PŘEVOD...... 42 8.3 POHON PAŽEMI ...... 43 8.3.1 Požadavky a příslušná řešení ...... 44 8.4 KLUZÁK ...... 52 8.4.1 Veslování ...... 53 8.4.2 Šlapání ...... 55 8.4.3 Jednotlivé díly kluzáku ...... 55 8.5 RÁM...... 59 8.5.1 Požadavky na rám ...... 60 8.5.2 Možné varianty rámu ...... 66 8.5.3 Materiál rámu ...... 69 9 PROVOZNÍ VLASTNOSTI VOZIDLA ...... 70

9.1 PŘEVODY VOZIDLA ...... 70 9.1.1 Pohon nohami ...... 70 9.1.2 Pohon pažemi ...... 73 9.2 POLOMĚR OTÁČENÍ ...... 75 9.3 STOUPAVOST ...... 75 9.3.1 Těžiště soustavy ...... 75

Brno 2011 8

Obsah

9.3.2 Výpočet stoupavosti ...... 77 10 PEVNOSTNÍ KONTROLA RÁMU...... 79

10.1 VÝPOČTOVÝ SOFTWARE ...... 79 10.2 VÝPOČTOVÝ MODEL ...... 80 10.3 OKRAJOVÉ PODMÍNKY ...... 82 10.4 ZPŮSOB HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ ...... 83 10.5 ZATĚŽOVACÍ STAVY ...... 83 10.5.1 Aplikace sil na model...... 83 10.5.2 Hmotnost jezdce ...... 86 10.5.3 Veslování ...... 88 10.5.4 Šlapání ...... 90 10.5.5 Záběr pažemi...... 92 10.5.6 Veslování + záběr pažemi ...... 93 10.5.7 Šlapání + záběr pažemi ...... 94 10.6 SHRNUTÍ ...... 95 11 MOŽNOSTI DALŠÍCH VYLEPŠENÍ VOZIDLA ...... 96 ZÁVĚR ...... 98 POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE ...... 99 POUŽITÉ ZKRATKY A SYMBOLY ...... 101 SEZNAM PŘÍLOH ...... 102

Brno 2011 9

Úvod

Úvod

Na světě je podle některých zdrojů přes jeden a půl miliardy jízdních kol, což z něj dělá zdaleka nejrozšířenější vozidlo. Rozhlédne-li se obyvatel západního světa kolem sebe, snadno by o tom mohl zapochybovat. Často potká člověk v ulicích města více automobilů než chodců. Ano, automobil je podle všeho dopravní prostředek pro naši budoucnost. V současnosti je bicykl za účelem dopravy využíván masově pouze v některých asijských zemích a na západě v tradičním Holandsku. Ve většině Světa se stále více upřednostňují motorová vozidla. Rychlost, pohodlí a relativní bezpečnost jsou parametry, které mají pro dopravu lidí větší hodnotu než efektivnost a čistota provozu jako u bicyklu. Jízdní kola ovšem získala pro společnost novou roli jako prostředek pro rekreační a sportovní činnost. V těchto nových funkcích patří opět mezi nejpopulárnější, což jízdnímu kolu zaručuje ještě dlouhou budoucnost. Jízdním kolem obvykle chápeme jeden konkrétní typ bicyklu, tedy jednostopého dvoukolového vozidla, které pohání jezdec svou vlastní silou, vyznačujícího se následujícími parametry:

· pohon rotací pedálů kolem jedné osy obvykle označovaný jako šlapání · vzpřímená poloha jezdce · přední kolo řízené, zadní kolo hnané skrz (obvykle řetězový) převod.

Tento druh kola je u nás i celosvětově zdaleka nejpopulárnější, ale existují i jiné koncepce, které mohou pro některé uživatele nabídnout řadu výhod. Mezi takové patří hlavně lehokola neboli lehocipedy (anglicky recumbent bicycle) a dále veslokola či tzv. handbiky (bicykly hnané pohybem rukou). Vývoj těchto alternativních bicyklů byl ve 30. letech 20. století zpomalen až téměř zastaven rozhodnutím závodní cyklistické organizace, proto nejsou dnes tolik rozšířena. Jejich obliba ale nyní opět stoupá. Navíc kvůli malému množství producentů těchto vozidel existuje na trhu stále prostor pro uvedení nových nápadů. Toto jsou důvody pro které má smysl se zabývat tématem člověkem hnaných vozidel (HPV) v Diplomové práci.

Použitá zkratka HPV pro vozidla na lidský pohon je zkratkou anglického sousloví Human Powered Vehicle. Pod tímto označením si můžeme představit veškerá vozidla, splňující právě jediný požadavek na pohon výhradně lidskou silou, ať už se pohybují po pevnině, plavou pod vodou nebo na hladině čí dokonce létají vzduchem. Tato práce ovšem pojednává především o bicyklech a to jak tradičních tak netradičních.

Úvodní část této práce se týká historie vozidel poháněných lidskou silou a zásad jejich užívání v současném provozu. Následně jsou rozebrány různé možnosti pohonu těchto vozidel s představením některých netypických konstrukcí. Z této kapitoly vychází hlavní část práce - návrh nového HPV s ojedinělou pohonnou soustavou, kombinující metody šlapání a veslování na jediném vozidle. Návrh se týká systému pohonu, vlastního konstrukčního řešení rámu vozidla a některých příslušných součástí. Samotný rám je podroben pevnostní a deformační analýze metodou konečných prvků, jejíž výsledky jsou prezentovány v jedné ze závěrečných kapitol.

Brno 2011 10

Historie HPV

1 Historie HPV

Historie vozidel poháněných lidskou silou nesahá pouze do prvopočátků bicyklů a podobných vozidel jedoucích po dvou kolech. Dokonce ani vodní plavidla jako kanoe nebo vory nejsou úplnými průkopníky HPV. Vozidlem můžeme zvát cokoliv, co je určeno k přepravě čehokoliv jiného – osob, věcí, zvířat. První známky vozidel hnaných člověkem tedy nacházíme až před několika stovkami tisíc let za doby člověka vzpřímeného – Homo Erectus. Jeho schopnosti již tehdy byly dostačující k tomu, aby vymýšlel a tvořil různé nástroje a pomůcky, z nichž mnohé byly určeny k přemisťování lecčeho. Z takových byly například první nádoby a ráhna na přenášení zvěře. Daleko blíže představě vozidla byly ale třeba až jednoduché sáně, které byly také užívány k dopravě úlovku do příbytku nebo plovoucí kmen, ovládaný dlouhým bydlem odstrkováním ode dna.

Milníkem pro rozvoj dopravy a populace vůbec byl vynález kola někdy okolo 4 tisíc let před našim letopočtem. Kolové káry a vozy společně s již delší dobu nabitou dovedností ochočit zvířata a užívat je ke svému prospěchu vedly k šíření kultur a rozkvětu obchodu. Co se týče vozidel hnaných člověkem, k jejich „znovuobjevení“ a masovějšímu rozšiřování došlo až v době průmyslové revoluce v 19. století. Vývoj se odebíral hlavně směrem dvoukolových jednostopých vozidel, jejichž reprezentantem je v první řadě nejpopulárnější HPV Světa – jízdní kolo.

1.1 Historie bicyklů

První dokumentované vozidlo mající známky dnešních kol pochází pravděpodobně z 15. století od italského vynálezce Giovaniho Fontany. Jeho výtvor sice měl 4 kola, tudíž bicyklem ho zvát nemůžeme, zato disponoval pohonem, jehož obdoba je základní devízou současných jízdních kol. Šlo o nekonečné lano spojené skrz převod se zadními koly. Dnes místo lanového převodu užíváme řetězový.

Další zmínkou o předchůdci moderního bicyklu je skica Leonarda da Vinciho vyobrazující koncepci s mnoha znaky klasického „vzpřímeného“ kola. Objevily se ale spekulace, že se nejedná o Leonardův autentický výtvor a že náčrt dokonce nepochází z jeho doby, tudíž tomuto géniovi vynález jízdního kola připisován nebývá.

Brno 2011 11

Historie HPV

Situace ohledně přiznání vynálezu jízdního kola je z dnešního pohledu značně nejasná. Prvenství se přisuzuje různým vynálezcům s různě pokročilými vozidly, protože není možné jednoznačně říci, která konstrukce byla již dostatečně podobná dnešnímu kolu. Za první bicykl v pravém smyslu slova, tedy dvoukolové jednostopé vozidlo, na kterém se člověk zároveň veze, je považován tzv. hobbyhorse z roku 1817 barona Karla von Dreise nazývaný po svém vynálezci též drezína. Jedná se o kola spojená rámem, na kterém jezdec obkročmo sedí a odrážením nohama od země se rozjíždí. Přední kolo je řízené řídítky. Toto vozidlo příliš popularity nezískalo, spíše bylo považováno za výstřelek, protože pro jízdu nebylo použitelné jinde, než na dobře upravených cestách jako byly třeba v parcích a zámeckých zahradách [3].

Obr. 1 Hobbyhorse [4]

V roce 1865 se objevil další typ bicyklu, který již disponoval pedály připevněnými k přednímu kolu. Tento stroj, zvaný Velociped, opět mnoho pohodlí nenabízel díky dřevěným nebo ocelovým kolům, proto se často označoval také jako „Bone shaker“ neboli „kostitřas“.

Obr. 2 Bone shaker [5]

Brno 2011 12

Historie HPV

Daleko pohodlnější jízdu nabízelo později uvedené tzv. Vysoké kolo s konstrukcí podobnou Velocipedu. Zlepšení komfortu bylo důsledkem použitých gumových (ještě plných) pneumatik a dlouhých drátů výpletu předního kola. Průměr předního kola rostl ve snaze zvýšit rychlost bicyklu a nakonec mohl být až tak velký, jak jen byl ještě schopen jezdec dosáhnout na pedály [3]. Kromě zmíněných výhod souvisely s velkým průměrem kola také mnohé nevýhody. Nastupování a vystupování vyžadovalo kus artistické obratnosti, jízda samotná zase notnou dávku odvahy. Kolo nebylo nikterak stabilní ani na rovném povrchu, když se ale připletly do cesty překážky, šlo jezdci i o zdraví. Ten totiž při zaseknutí předního kola nemohl kvůli řídítkům nijak vystoupit a dopřednému pádu na zem nešlo žádným způsobem zabránit, co víc v ohrožení bývala především hlava.

Počaly se objevovat nové konstrukce bicyklu, které měly nabídnout více stability a bezpečnosti při zachování pohodlí jízdy. Nejlépe tyto vlastnosti kombinovalo kolo od angličana Johna Kempa Starleyiho zvané opodstatněně „Rover Safety Cycle“ – „Bezpečné jízdní kolo“. Zásadním prvkem tohoto řešení bylo umístění osy šlapání mezi osy kol a použití řetězového převodu pro pohon zadního kola zatímco řízení zajišťovalo přední kolo. Toto řešení přineslo i možnost aplikace jednoduššího systému řazení převodů. Bicykly tohoto typu zaznamenaly obrovský úspěch a během několika let zcela vytlačily „Vysoká kola“. Od té doby používáme kola postavená na stejném základu dodnes.

Obr. 3 renovovaný Rover Safety Cycle [6]

Brno 2011 13

Historie HPV

To ale neznamená, že by se za celé století již neobjevila žádná alternativní koncepce. S jednou takovou přišel po První světové válce francouzský konstruktér Charles Mochet – výrobce malých lehkých automobilů. Když se jeho syn Georges měl začít učit jezdit na kole, zdál se mu bicykl Starleyiho typu ještě příliš nebezpečný. Proto sestrojil malé autíčko na šlapací pohon. Georges byl tímto vozítkem nadšený a nejen on, po Mochetově šlapacím autíčku se brzy zvedla nemalá poptávka. To vedlo k tomu, že Mochet skoncoval s výrobou automobilů a začal se zabývat vozidly na lidský pohon. Velký úspěch zaznamenal jeho „Velocar“ – obdoba autíčka mladého Georgese pro 2 dospělé lidi. V poválečném období byl „Velocar“ dostupnou náhradou za běžný automobil, měl však jednu nevýhodu – v zatáčkách byl za vyšších rychlostí, kterých snadno dosahoval, nestabilní. S tím se Mochet vypořádal jednoduše, prostě čtyřkolové vozidlo rozpůlil a tím vlastně vyvinul první lehokolo, tedy bicykl, kde jezdec jakoby leží v sedačce a osu šlapání má před sebou. Tehdy se takovému vozidlu říkalo anglicky Horizontal bike.

Obr. 4 Velocar Charlese Mocheta [7]

Obr. 5 Francois Faure na horizontálním bicyklu (lehokole) [8]

Brno 2011 14

Historie HPV

Lehokola byla samozřejmě opět velmi rychlá a tak se s nimi Mochet pustil do závodění proti běžným bicyklům v podnicích pořádaných Mezinárodní cyklistickou unií – z francouzského Union Cycliste Internationale zkráceně UCI. UCI je celosvětová organizace, která sdružuje jednotlivé národní cyklistické federace, určuje pravidla mezinárodních soutěží a tyto soutěže také pořádá. I přesto, že Mochet nasadil jen průměrného jezdce Francoise Faureho, veškerou konkurenci hravě pokořil. Využíval nesporné aerodynamické výhody, kterou jezdec na jeho kole měl. Faure brzy překonával jeden rekord za druhým, což vzbudilo na jedné straně bouřlivé nadšení veřejnosti, na straně druhé pochyby a rozčarování u soupeřů. Rekordy a vítězství Mocheta a Faureho byly bez potíží uznávány až do roku 1934. Tehdy už znechucení příznivců klasického kola dosáhlo takové úrovně, že donutili UCI se zabývat legitimností lehokol v oficiálních závodech. Diskuze sice byla rozsáhlá a rozhodně ne klidná, nakonec ale bylo přijato jasné rozhodnutí stanovit přesné rozměry závodního bicyklu tak, aby tyto podmínky splňovalo pouze klasické „Bezpečné kolo“. Pro Mocheta to znamenalo smazání všech rekordů a konec závodních aktivit. Lehokolům se na dlouhou dobu uzavřela nadějná budoucnost.

Brno 2011 15

Bezpečný provoz HPV

2 Bezpečný provoz HPV

V současnosti mohou v České republice za jistých podmínek všechna pozemní vozidla (auta, motorky, kola, in-line brusle,…) sdílet tytéž komunikace. Zhodnotíme-li velikosti, rychlosti a schopnost ochrany uživatele u jednotlivých vozidel, která se na silnici mohou potkat, vychází nám naprosto neúměrné rozdíly ve všech kritériích. Hrozba vzniku konfliktní situace, nepříjemnosti způsobené bezohledností nebo i vzájemná kolize účastníků provozu existuje vždy, všude a pro každého. A každodenně se mnoho ošklivých scénářů naplňuje. Zatímco řidiče nákladních automobilů nemůže ohrozit téměř nic a o ochranu posádky osobního automobilu se stará stále více elektronických i jiných systémů, takový chodec nebo cyklista čelí nebezpečenství pouze svým rozumným a včasným úsudkem.

Příčiny toho, že se nejen cyklisté a automobily denně míjí těsně kolem sebe, můžeme hledat již krátce po objevu právě těchto dvou vozidel. Obě totiž měla revoluční vliv na dopravu po celém Světě již od svého vzniku na konci 19. století. Zpočátku se nezdálo nevhodné, že spolu jízdní kolo a automobil sdílí tytéž komunikace, protože množství vozidel nebylo nikterak závratné a cestovní rychlosti se příliš nelišily. Oboje se ale začalo rychle měnit. Narůstajícímu počtu vozidel se musely rychle budovat nové a přizpůsobovat staré cesty. Rozdíl v dosažitelných rychlostech mezi automobilem a bicyklem se pochopitelně také prohluboval. Přeci jen i trénovaný cyklista má svůj fyzický limit zatímco výkony spalovacích motorů mohly nezadržitelně růst a rostou i dnes po více než sto letech. Svět byl překvapen prudkým vzestupem silničních vozidel, zároveň však s jejich nástupem posilovalo hospodářství a tak by jistě nebylo na místě nějak omezovat jejich provoz, natož vynakládat prostředky na oddělené jízdní prostory velkých motorových a lehkých nemotorových vozidel. Kromě toho by překážkou byly i ohromné nároky na prostor.

Tento stav se v průběhu 90. let 20. století začal napravovat v mnoha západoevropských městech vytvářením sítí cyklostezek. Ve městech má zřízení vyhrazených pruhů pro cyklisty asi největší význam. Tam je bicykl jako dopravní prostředek nejlépe využitelný, nejvíce oceníme jeho přednosti jako čistotu, obratnost, malé rozměry, ale zároveň hrozí kvůli vysoké hustotě provozu největší nebezpečí. V České republice se zatím budování cyklostezek příliš nerozběhlo. Když už nějaká vznikne, většinou se jedná o tzv. rekreační trasu, která zpravidla nemá parametry pro užívání jako komunikace pro každodenní cestu např. do práce, školy nebo na nákup, ale slouží spíše turistickým a sportovním aktivitám. Tyto stezky obvykle podporují cestovní ruch v oblasti, ale mnohé lze užít i jako bezpečnou alternativu oproti jízdě po silnici. Velký potenciál ke zkvalitnění životního prostředí lidí mají také stezky či vyhrazené jízdní pruhy ve městech, užívané primárně pro dopravu mezi místy. Jedním z problémů u plánování městských cest pro cyklisty je nedostatek prostoru v zastavěných oblastech. Obvyklé řešení spočívá v omezení komunikací pro jiné druhy dopravy jako automobily, hromadné linky nebo i chodce. Neuvážený zásah na jednom místě může ovlivnit dopravu po celém městě i okolí, tudíž je potřeba komplexní plán pro veškerou městskou dopravu. S tím souvisí i další nepříjemnost při zavádění městských cyklostezek, totiž že je nesmyslné budovat stezku jen na malém území. Je potřeba vytvořit propojenou síť tras, která bude spojovat veškerá důležitá místa. Z uvedeného je tedy zřejmé, že cyklostezky ve městě

Brno 2011 16

Bezpečný provoz HPV jsou projekty velmi obsáhlé, které není snadné citlivě neprojektovat ani zafinancovat. V českých městech se cesty pro cyklisty objevují velmi pozvolna.

Pravidla pro výstavbu kvalitní cyklostezky dle [9]:

· Bezpečnost: (cyklistická) infrastruktura musí v maximální míře zajišťovat bezpečnost cyklistů ve vztahu k ostatním účastníkům silničního provozu

· Koherence: (cyklistická) infrastruktura musí utvářet koherentní a kontinuální síť, ve které jsou propojeny všechny zdroje a cíle cyklistické dopravy

· Přímočarost: (cyklistická) infrastruktura musí nabídnout co nejpřímější trasu, zajížďky musí být minimalizovány. Taktéž zdroje zdržení, jako např. čekací doby na křižovatkách, musí být odstraňovány

· Atraktivita: (cyklistická) infrastruktura musí být plánována a realizována v atraktivní podobě tak, aby podporovala používání jízdního kola za všech možných podmínek

· Komfort: (cyklistická) infrastruktura musí zajistit rychlý a pohodlný pohyb cyklistů

I přes přibývající kilometry cyklostezek vždy budou existovat místa, kde se cyklista a motorista mohou dostat do konfliktní situace. Kromě toho hrozí cyklistovi nebezpečí i od jiných příčin a to i na cyklostezkách. Proto je potřeba aby cyklisté i jiní účastnící provozu využívali všech možností jak se před možným úrazem chránit.

Jedním z nejzákladnějších způsobů ochrany je dobrá znalost dopravních předpisů. Těmi se řídí provoz nejen na silnicích, ale i na cyklostezkách. U motoristů je jejich znalost vymáhána závěrečnou zkouškou v autoškole, zatímco pro ostatní neexistuje žádný předpis nařizující prokázání zmíněných znalostí. Ministerstvo dopravy České republiky prosazuje prostřednictvím oddělení Centra služeb pro silniční dopravu systematickou dopravní výchovu dle regulí „Tématického plánu Ministerstva dopravy“ [10]. Výchova začíná již u dětí předškolního věku a pokračuje během celé školní docházky dítěte a mládeže. Pro různé věkové skupiny jsou stanoveny požadavky na to, co by již o silničním provozu měly vědět s ohledem na jejich roli v něm. Předškolní děti mají získat základní vědomosti a zkušenosti pro vytváření správných návyků chování v určitých situacích jako jsou paměť, pozornost, ukázněnost, orientaci [10]. Žáci základní školy se již postupně učí, jak se samostatně pohybovat v provozu v pozici chodce a později i cyklisty. Ve 4. třídě se na dopravním hřišti uchází o „Průkaz cyklisty“. Během dalších let je žákům prohlubována znalost dopravního systému a jsou upozorňováni na nebezpečné následky nevhodného chování v provozu.

Další možností ochrany vlastního zdraví při účasti v silničním provozu je používání ochranných pomůcek. Současný zákon č. 361/2000 Sb. nařizuje pouze používání přilby cyklistům ve věku do 18 let. Z výzkumů plyne, že v polovině všech cyklistických nehod je zasažena hlava cyklisty [10]. Oproti jiným částem těla zranění hlavy může daleko snáze vést k invaliditě či smrti. Ačkoli dle České cyklistické organizace není přilba povinná ani u

Brno 2011 17

Bezpečný provoz HPV závodníků nad 23 let, těžko bychom hledali ve startovním poli jediného, který by si svého zdraví a budoucnosti nevážil natolik, že by riskoval jízdu bez helmy. Příklad těchto profesionálů by měli následovat všichni, kteří usedají na bicykl, ať je to na jakoukoliv vzdálenost, na jakémkoliv místě nebo jakkoliv se cítí být dobrými jezdci. Nehoda nemusí pocházet od naší vlastní chyby, může ji zapříčinit někdo nebo něco z okolí a my ani nemusíme mít šanci na krizovou událost vůbec reagovat. Zvláště dospělí, podnikající výlety s dětmi by měli dbát na to, aby byli dětem dobrým příkladem a naučili je chránit si své zdraví.

Pád na hlavu z bicyklu při rychlosti 15 km/h je srovnatelný se skokem po hlavě na beton z výšky jednoho metru. Jede-li cyklista rychlostí 25 km/h a upadne na hlavu, je to jakoby skočil po hlavě z 2,5 metru. Čelní srážka cyklisty jedoucího rychlostí 15 km/h s automobilem o rychlosti 35 km/h je srovnatelná s pádem z výšky 10 metrů [10].

Dle mého názoru by měla být helma povinná pro všechny bez rozdílu věku. V automobilu také není dovoleno rozhodnout se z vlastní vůle, zda bezpečnostní pás použiju nebo ne. Ze zkušenosti vím, že lidi k nepoužívání helmy často vedou malicherné důvody, těm by snad zákonná povinnost vozit helmu udělala přítrž.

Kromě helmy existuje ještě spousta dalších ochranných pomůcek, jejichž použitím můžeme chránit všechny části těla. Z těch důležitých pro běžné užívání to jsou rukavice a brýle. Rukavice zpříjemňují úchop řídítek, eliminují jejich klouzání v dlaních a některé typy i pohlcují otřesy. Při pádu chrání ruce před odřeninami, jezdec tedy daleko snáze nastaví paže tak, aby zabránil závažnějším následkům kolize. Ochranné brýle brání vniknutí cizích objektů (prachových částic nebo hmyzu) do oka a chrání oči i před přímými slunečními paprsky. Dobrý přehled o dění kolem sebe je základním předpokladem pro vyhýbání se potencionálnímu nebezpečí.

Brno 2011 18

Legislativa pro HPV

3 Legislativa pro HPV

O bezpečí cyklistů dbá i vyhláška zákona č. 341/2002 Sb. v příloze 13 definováním požadavků na výbavu bicyklu, vhodného k provozu na veřejných komunikacích. Tato vyhláška je plně benevolentní k samotné konstrukci bicyklu, tudíž na silnici mohou i kola, která nejsou zrovna „Bezpečná“. Tedy ne že by něčím někoho ohrožovala, ale nemusí být navržena podle konceptu Starleyiho „Bezpečného jízdního kola“.

Vyhláška říká toto [11]:

1. Jízdní kola musí být vybavena: a) dvěma na sobě nezávislými účinnými brzdami s odstupňovatelným ovládáním brzdného účinku; jízdní kola pro děti předškolního věku vybavená volnoběžným nábojem s protišlapací brzdou nemusí být vybavena přední brzdou, b) volné konce trubky řídítek musí být spolehlivě zaslepeny (zátkami, rukojeťmi apod.), c) zakončení ovládacích páček brzd a volné konce řídítek musí mít hrany buď obaleny materiálem pohlcujícím energii, nebo (jsou-li použity tuhé materiály) musí mít hrany o poloměru zakřivení nejméně 3,2 mm; páčky měničů převodů, křídlové matice, rychloupínače nábojů kol, držáky a konce blatníků musí mít hrany buď obaleny materiálem pohlcujícím energii, nebo (jsou-li použity tuhé materiály) musí mít hrany o poloměru nejméně 3,2 mm v jedné rovině a v druhé rovině na ni kolmé nejméně 2 mm, d) matice nábojů kol, pokud nejsou křídlové, rychloupínací nebo v kombinaci s krytkou konce náboje, musí být uzavřené, e) zadní odrazkou červené barvy, tato odrazka může být kombinována se zadní červenou svítilnou nebo nahrazena odrazovými materiály obdobných vlastností; plocha odrazky nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 40 mm, odrazka musí být pevně umístěna v podélné střední rovině jízdního kola nebo po levé straně co nejblíže k ní ve výšce 250 - 900 mm nad rovinou vozovky; činná plocha odrazky musí být kolmá k rovině vozovky v toleranci +/- 15° a kolmá k podélné střední rovině jízdního kola s tolerancí +/- 5°; odrazové materiály nahrazující zadní odrazku mohou být umístěny i na oděvu či obuvi cyklisty, f) přední odrazkou bílé barvy, tato odrazka může být nahrazena odrazovými materiály obdobných vlastností; odrazka musí být umístěna v podélné střední rovině nad povrchem pneumatiky předního kola u stojícího kola; plocha odrazky nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 40 mm, činná plocha odrazky musí být kolmá k rovině vozovky s tolerancí +/- 15° a kolmá k podélné střední rovině jízdního kola s tolerancí +/- 5°; odrazové materiály nahrazující odrazku mohou být umístěny i na oděvu či obuvi cyklisty, g) odrazkami oranžové barvy (autožluť) na obou stranách šlapátek (pedálů), tyto odrazky mohou být nahrazeny světlo odrážejícími materiály umístěnými na obuvi nebo v jejich blízkosti, h) na paprscích předního nebo zadního kola nebo obou kol nejméně jednou boční odrazkou oranžové barvy (autožluť) na každé straně kola; plocha odrazky nesmí být menší než 2000 mm2, přičemž vepsaný čtyřúhelník musí mít jednu stranu dlouhou nejméně 20 mm, tyto

Brno 2011 19

Legislativa pro HPV odrazky mohou být nahrazeny odrazovými materiály na bocích kola nebo na bocích plášťů pneumatik či na koncích blatníků nebo bočních částech oděvu cyklisty.

2. Jízdní kola pro jízdu za snížené viditelnosti musí být vybavena následujícími zařízeními pro světelnou signalizaci a osvětlení: a) světlometem svítícím dopředu bílým světlem; světlomet musí být seřízen a upraven trvale tak, aby referenční osa světelného toku protínala rovinu vozovky ve vzdálenosti nejdále 20 m od světlometu a aby se toto seřízení nemohlo samovolně nebo neúmyslným zásahem řidiče měnit, je-li vozovka dostatečně a souvisle osvětlena, může být světlomet nahrazen svítilnou bílé barvy s přerušovaným světlem, b) zadní svítilnou červené barvy, podmínky pro umístění této svítilny jsou shodné s podmínkami pro umístění a upevnění zadní odrazky podle odstavce 1 písm. e); zadní červená svítilna může být kombinována se zadní odrazkou červené barvy podle odstavce 1 písm. e); zadní červená svítilna může být nahrazena svítilnou s přerušovaným světlem červené barvy, c) zdrojem elektrického proudu, jde-li o zdroj se zásobou energie, musí svou kapacitou zajistit svítivost světel podle písmen a) a b) po dobu nejméně 1,5 hodiny bez přerušení.

3. Světelná výbava jízdního kola se nepovažuje za výbavu ve smyslu ustanovení § 32 zákona č. 361/2000 Sb.

4. Je-li jízdní kolo vybaveno pomocným sedadlem pro dopravu dítěte, musí být toto sedadlo pevně připevněno a opatřeno pevnými podpěrami pro nohy dítěte. Sedadlo a podpěry musí být provedeny a umístěny tak, aby nemohlo dojít ke zranění dítěte při jízdě ani k ohrožení bezpečnosti jízdy. Je-li jízdní kolo vybaveno nosičem zavazadel, musí být tento nosič řádně a spolehlivě připevněn a nesmí ovlivňovat bezpečnost jízdy.

5. Pneumatiky a ráfky nesmí vykazovat trhliny, praskliny a jiné zjevné deformace, které by zjevně narušovaly bezpečnost jízdy.

6. Jízdní kola uváděná na trh po 1.1.2003 musí mít na snadno dostupném místě rámu trvanlivě vyznačeno dobře čitelné výrobní číslo nebo být vybavena zařízením jej spolehlivě nahrazujícím. Za spolehlivě výrobní číslo nahrazující zařízení se v tomto případě považuje například i elektronický nosič takové informace, který bude pevně spojen s rámem jízdního kola.

7. Jízdní kola uváděná na trh po 1.1.2003, pokud nejsou vybavena podle čl. 2 této přílohy, tj. pro jízdu za snížené viditelnosti, musí být opatřena jednoznačným a zřetelným upozorněním v návodu k obsluze, že tato kola nejsou za daného stavu vybavení způsobilá k silničnímu provozu za snížené viditelnosti.

8. Jízdní kolo může být vybaveno dodatečně pomocným motorkem, jestliže a) bude nadále zachován původní charakter jízdního kola (podle čl. 1, 2), b) pomocný motorek bude přiměřeně plnit podmínky ustanovení § 19 zákona, c) jeho výkon nepřesáhne 1 kW, d) v případě použití spalovacího motoru, nebude mít takový motor objem válce (válců) větší než 50 cm3,

Brno 2011 20

Legislativa pro HPV e) maximální konstrukční rychlost nebude vyšší než 25 km.h-1, f) montáž pohonného systému (motor, nádrž paliva nebo akumulátor) na jízdní kolo si nevyžádá zásah na jeho nosných částech. Pokud vozidlo splňuje všechny výše uvedené požadavky, považuje se pro potřeby této vyhlášky nadále za jízdní kolo.

9. Pro účely této vyhlášky se jízdním kolem rozumí i tříkolky a vícekolky, stejně jako vícesedadlová jízdní kola (např. tandemy) a jim podobná vozidla poháněná lidskou silou a určená i k provozu na pozemních komunikacích, jako např. koloběžky.

Brno 2011 21

Možnosti pohonu HPV

4 Možnosti pohonu HPV

Během historie byla lidská síla na stroje přenášena jen malým počtem metod [1]. I když možností jak může člověk působit na objekty je nesmírně mnoho, jisté pohyby jsou z různých důvodů pro různé aplikace nevhodné. Buď nejsou dostatečně výkonné, nebo vzhledem k potřebám málo citlivé. Zvláště u HPV je nutné pečlivě navrhnout pohon tak, aby byly namáhány ty nejsilnější svaly a to co nejefektivnějším způsobem. Vozidlo totiž poháníme pohyby jen některých částí těla v mnoha opakováních. Nejčastěji se tedy k těmto účelům užívají silné dolní končetiny. Oproti tomu horní, motoricky schopnější, se používají k řízení vozidla. Všechny možnosti hnaní vozidla vychází ve své podstatě prakticky ze dvou fyziologických pohybů, které nám tělo dovoluje – tažení nebo tlačení. Uspořádáním hnacího ústrojí pak získáme různé typy pohonů.

Podle toho, zda má člověk při hnaní vozidla kontakt s podkladem, můžeme rozlišit pohony na přímé a nepřímé. V případě přímo poháněných vozidel je jízda obstarávána odrážením se člověka, ženoucího vozidlo, od povrchu, po kterém se pohybuje. Pod pojmem „odrážení“ si můžeme v naprosté většině případů představit tlačení nohou proti pevnině. Do této skupiny řadíme jak vozidla, na kterých se ženoucí jedinec sám veze (koloběžka, in-line brusle, skateboard), tak také ta, kterými přepravuje někoho nebo něco jiného (vozíky, jakékoli nádoby, které člověk přenáší chůzí). Matoucím příkladem by mohla být rikša, kterou člověk vede za sebou. Běžně bychom řekli, že je ona kára poháněna tažením, ovšem z hlediska pohybu končetin ženoucího člověka vůči jeho tělu tento člověk vlastně tlačí, aby vozidlo rozpohyboval.

U nepřímo poháněných vozidel se logicky musí ženoucí jedinec na tomtéž vozidle i vézt. Kontakt se zemí při běžné jízdě nemá. Tyto pohony navíc dělíme na ty, u kterých člověk tlačením nebo i táhnutím vyvolá rotační pohyb součástí hnacího systému nebo translační pohyb. Vozidlo lze hnát jak nohama, tak také pažemi v případech, kdy nejsou nohy schopné. Možností je také pohon kombinovaný horními i dolními končetinami zároveň. Ten bývá aplikován u vozidel, která jsou určena především ke kondičnímu tréninku. Nepřímé pohony jsou typické pro bicykly.

4.1 Šlapání

Jako šlapání označujeme pohon, kde střídavým tlačením nohami na pedály vyvoláváme rotační pohyb klik kolem osy. Tímto pohonem je vybavena většina bicyklů na Světě. Je to nejefektivnější možný pohon pro vozidla hnaná lidskou silou. Proto také všechny rychlostní rekordy na vodě, pevnině i ve vzduchu jsou stanoveny na vozidlech se šlapacím pohonem. Délka klik bývá od 160 do 180 milimetrů. Pokud jsou pedály vybavené klipsnami nebo zámkem pro nacvaknutí cyklistických bot, je možné nohami za pedály i tahat. Rotační pohon je díky jednosměrnému a plynulému pohybu málo namáhající klouby jezdce. Vzájemná poloha mezi osou šlapání a sedačkou ovlivňuje pozici jezdce na kole. Pokud je jezdec ve Brno 2011 22

Možnosti pohonu HPV vzpřímené poloze a opírá se rukama o řídítka, potom se jedná o klasické „Bezpečné jízdní kolo“. V případě, že jezdec zaujímá spíše pozici v záklonu a opírá se zády o opěradlo sedačky, pak se jedná o lehokolo. Kvůli aerodynamické výhodě byla zkoušena i kola, na nichž jezdec ležel na břiše a osu šlapání měl až za sebou, ale toto provedení se nerozšířilo ani nijak zvlášť neprosadilo na závodních tratích.

4.2 Ruční rotační pohon

Ruční rotační pohon je vlastně obdobou šlapání, ale k roztáčení klik používáme ruce. Tento pohon se v současnosti používá na vozidlech pro lidi s postiženou dolní polovinou těla. Aby tito lidé neměli potíže s rovnováhou na vozidle, bývají v naprosté většině tříkolová. Existují 2 koncepce tohoto pohonu. První se vyznačuje stejným usazením klik tak, jako u šlapání nohama, tedy každou klikou na opačnou stranu od osy šlapání. Náčrt tohoto uspořádání připomíná písmeno “S“ v určitém fontu (Obr. 6).

Obr. 6 Handbike Rainbow EH, řídítka do "S" [12]

Druhá varianta v náčrtu evokuje písmeno “U“ (Obr. 7). Kliky jsou umístěny stejným směrem od osy. Toto uspořádání je možné díky opoziční pozici palce vůči ostatním prstům. Paže jsou k tomuto pohybu vhodné, jelikož oproti nohám daleko snáze zvládají přítahy k tělu. Vozidla s tímto pohonem jsou nazývána „handbiky“ (anglicky častěji „handcycle“).

Brno 2011 23

Možnosti pohonu HPV

Obr. 7 Handbike XLT PRO, řídítka do “U” [13]

V minulosti byl tento pohon zkombinován se šlapáním nohama ve snaze o zvýšení rychlosti vozidla, ale tato myšlenka se ukázala být jako mylná. O něco primitivnější způsob pohonu, který také můžeme řadit do skupiny ručních rotačních, využívá vozidlo, se kterým se setkáváme vcelku běžně. Jedná se o tzv. invalidní vozík. Namísto klik zde jezdec roztáčí přímo kola. Nevýhodou je absence převodů a tudíž nízká dosažitelná rychlost, výhodami jsou jednoduchá konstrukce, možnost složení, nízká hmotnost.

4.3 Veslování

Veslování je zcela běžný způsob pohonu u vozidel pohybujících se po vodní hladině (Obr. 8). Veslař sedí zády ke směru jízdy na pohyblivém sedáku-tzv. slajdu, nohy má pevně připoutané k lodi. V rukou třímá veslo, které je ve střední části své délky na kloubu spojené s lodí. Odrážením nohami veslař sune tělo po slajdu vzad (směrem k přídi lodi) a tím otáčí veslem kolem kloubu. Druhý konec vesla, ponořený ve vodě, se pohybuje vzhledem k lodi opačným směrem než veslař a záběrem o vodní hladinu způsobí pohyb lodi. V momentě, kdy veslař využije maximální délky svých nohou ještě obvykle přitáhne veslo pažemi k tělu a zakloní se dozadu, aby co nejvíce prodloužil záběr vesla. Je zřejmé, že tento pohon zaměstnává svaly na celém těle. Oproti jiným ale způsobem, který je jednoduchý na synchronizaci. Podobného principu pohonu lze využít i na vozidlech určených pro provoz na pevnině. I v takovém případě mluvíme o pohonu veslováním, ačkoliv vesla ani veslice nijak nevyužijeme. Existuje několik technických řešení, která různými způsoby roztáčí hnané kolo bicyklů na veslovací pohon. Jsou však jen 3 obecné koncepce, podle nichž lze mechanismus pohonu navrhnout. Ve veslicích jsou připoutány nohy k tělesu lodě a trup a ruce jsou pohyblivé. Na pevninských vozidlech je možné uplatnit tentýž koncept nebo vzhledem k rámu znehybnit trup a nechat

Brno 2011 24

Možnosti pohonu HPV hnát vozidlo pomocí končetin. Poslední možnost je taková, že se jezdec drží rukama rámu vozidla a pohybem trupu a nohou působí na hnací mechanismus.

Obr. 8 Klasické veslování na vodní hladině [14]

Podle výzkumu J. Y. Harrisona na ergometru (cvičební zařízení na měření vykonané práce) je přímočarý pohyb nohou (veslování bez účasti paží) méně výkonný než šlapání, ale po 5 minutách zátěže se sobě oba způsoby pohonu výkonností vyrovnají (Obr. 9).

Obr. 9 Závislost podávaného výkonu na čase pro různé pohyby: 1-šlapání, 2-volné veslování s upevněnými nohami, 3-nucené veslování s upevněnými nohami, 4-volné veslování s pevnou sedačkou, 5-nucené veslování s pevnou sedačkou [15]

Brno 2011 25

Možnosti pohonu HPV

Veslař přichází o energii na koncích každého záběru (pokrčené nohy, natažené nohy), když musí zpomalovat a opět zrychlovat svůj pohyb. Pan Harrison upravil veslovací ergometr tak, že energii, kterou do něj vloží cvičenec, uchová a pak cvičenci pomůže hlavně v okrajových fázích záběru. Je to podobné jako na starých kolech bez volnoběžného zadního náboje. Sundal-li jezdec nohy z pedálů, kliky se nadále točily, protože využívaly energii vloženou do pohybu vozidla. Tento „nucený“ způsob veslování se ukázal jako ještě výkonnější než šlapání v prvních 5 minutách, pak se ale opět výsledky sjednocují. Pro použití na vozidlech je takový systém ale nepraktický a proto se nepoužívá.

Ještě jedním zajímavým porovnáním se pan Harrison zabýval. Zkoumal, zda má na výkon nějaký vliv, když jsou vzhledem ke stroji pohyblivé nohy a trup pevný nebo naopak. Rozdíl se opět projevil jen v prvních 5 minutách zátěže, kdy se jako výkonnější ukázalo provedení s volnými nohami a to jak při „nuceném“ tak „nenuceném“ veslování.

Z uvedených výzkumů vyplývá, že veslování jako pohon HPV je při krátkodobém plném nasazení méně výkonné než šlapání, především kvůli přerušovaným dodávkám energie. Pro běžnou jízdu a zvláště když k přímočarému pohonu nohami připojíme i pohon rukama, jak je u veslování běžné, jsou oba způsoby srovnatelné. Pro tréninkové účely může být na straně veslování i fakt, že při něm člověk protáhne celé tělo.

Brno 2011 26

Vybraná HPV

5 Vybraná HPV

Pohybů, kterými lze hnát HPV je mnoho. Ještě o mnoho více je systémů, které působení člověka transformují do pohybu celého vozidla. A jednotlivých typů vozidel, které se vzájemně liší třeba jen v detailech je nepřeberné množství. Jen některé z nich mají takové vlastnosti, aby mohly být uvedeny na trh. Já se zabývám v této práci vozidly pozemními, převážně bicykly. Již bylo uvedeno, že k pohonu bicyklů jsou nejvhodněji použitelné dva způsoby – šlapání a veslování. Jedním z těchto pohonů disponuje každé vozidlo, představené v této kapitole. Všechna vozidla mají své kvality, pro které můžou dělat svému uživateli radost a zároveň jsou vzájemně znatelně odlišná.

5.1 Bezpečné jízdní kolo

Jízdní kolo se od dob Starleyiho zdánlivě příliš nezměnilo. Stále jsou to 2 stejná kola v jedné stopě, přičemž zadní kolo je hnané a přední řízené. Velmi podobný je i tvar rámu. Vývoj ale prodělaly používané materiály a komponenty. Dříve se rámy stavěly výhradně z ocelových trubek. Dnes jsou již ocelové rámy v menšině. Používají se především hliníkové slitiny a kompozity, ale objevily se kola s rámem z bambusu, titanu, plastu, hořčíku. U špičkových rámů z hliníkových slitin nebo kompozitů se uplatňují technologie pro proměnnou tloušťku stěny a tvar rámové trubky. To kvůli úspoře hmotnosti a zvětšení tuhosti kola.

Obr. 10 Celoodpružené horské kolo Racebike IQ 6 Base [16]

Na používaných komponentech je vidět asi největší pokrok. Brzdy se z typu třecího na plášti proměnily přes nábojové brzdy, ráfkové mechanické a hydraulické brzdy až k diskovým mechanickým a hydraulickým. Přibylo řazení převodů. Kola, která dříve měla jedinou rychlost dnes mívají až 30 převodů. Používají se jak planetové převodovky v zadním náboji,

Brno 2011 27

Vybraná HPV tak převodovky v klikách, tak hlavně převody ozubenými kolečky o různém počtu zubů. Významnou novinkou bylo uvedení odpružené vidlice a tlumičů. Na současných kolech je promyšlen každý detail tak, aby co nejlépe zapadal do koncepce daného typu kola. Podle osazených komponentů, geometrie a materiálu rámu rozdělujeme klasická kola do mnoha kategorií. Máme kola dětská, dámská, silniční, horská, BMX, městská, trekkingová, krosová, skládací, freestylová, sjezdová, s přídavným elektromotorem, tandemová a další. Ke kolům se nabízí velké množství příslušenství. Stojany, světla, nosiče, dětské sedačky, kárky, blatníky, nápojové držáky a spousta dalších. V budoucnosti můžeme očekávat další vývoj materiálů, neustálé snižování hmotnosti kola, elektronické komponenty, používání řemenového převodu a jistě další novinky.

5.2 Lehokolo

Jedná se o bicykly, na nichž jezdec zaujímá polohu téměř v leže na zádech. Sedačka je tedy opatřena opěradlem. Osa šlapání je před jezdcem, někdy níže, může být ale i v úrovni ramen. Poháněné bývá nejčastěji zadní kolo. V tom případě vede poměrně dlouhý řetěz podél celého rámu. Je usměrňován kladkami tak, aby se vyhnul řízení, sedačce i rámovým trubkám a zároveň aby jeho vedení bylo co nejpřímější. Někteří konstruktéři raději pohání přední kolo, aby se vyvarovali vedení dlouhého a těžkého řetězu. U těchto variant může být řízené přední nebo zadní kolo. Všechna řešení ale mají svá negativa. Často se u lehokol uplatňuje odpružení jak předního tak zadního kola, jelikož jezdec nemá možnost tlumit nárazy pomocí nohou. Na výběr jsou různé typy řízení. Tzv. Under Seat Steering (USS, „pod sedačkou“) nebo Over Seat Steering (OSS, „nad sedačkou“). Oba typy mohou být buď přímo spojené s řízenou vidlicí (Direct Steering) nebo nepřímo propojené skrz táhlo (Indirect Steering). Nejběžnějšími typy jsou ale USS Indirect (Obr. 12) a OSS Direct (Obr. 11). Na lehokolech se používají různé velikosti kol. Není výjimkou, když je přední kolo menší než zadní. Lehokola rozlišujeme na „lowracery“ a „highracery“. „Lowracer“ označujeme kolo, na kterém jezdec zaujímá až extrémní aerodynamickou polohu. Sedačka je spíše mezi koly, než nad nimi. Používají se většinou 20“ kola nebo 20“ přední kolo a 26“ zadní kolo. Takové lehokolo je určené výhradně na zpevněné hladké cesty. „Highracer“ je lehokolo, které je více než na aerodynamiku a rychlost zaměřené na pohodlí a ovladatelnost. Pozice jezdce je o něco vzpřímenější než u „lowracerů“, sedačka je výše. Vyšší poloha těžiště usnadňuje manévrování v nízkých rychlostech. Používají se všechny velikosti kol. „Highracery“ se nabízejí v konfiguraci od silničních až po terénní. Dalším kritériem, podle kterého můžeme lehokola vzájemně odlišovat je poloha osy šlapání vzhledem k přednímu kolu. Pokud je osa mezi předním a zadním kolem, pak musí mít takové kolo delší rozvor, a proto jej označujeme anglicky jako „Long Wheel Base“ (LWB). Častější je umístění středu šlapání nad nebo před přední kolo. Takové kolo má kratší rozvor a označujeme ho jako „Short Wheel Base“ (SWB).

Lehokolo, jak již bylo zmíněno, neprodělalo tak dlouhý vývoj jako klasické jízdní kolo, ale v podstatě se osazuje stejnými komponenty a materiály na rámy jsou také vhodné tytéž, co na běžná kola.

Brno 2011 28

Vybraná HPV

Co se týče konstrukce, jsou lehokola technicky na srovnatelné úrovni s „Bezpečnými koly“. Zajímavým doplňkem lehokol je tzv. windshield neboli „větrný štít“. Používá se pro další snížení vzdušného odporu a ochranu před chladným a mokrým počasím. Umísťuje se do přední části vozidla. Bývá z čiré plastické hmoty. Další pomůckou pro snížení aerodynamického odporu je „tailbox“. Jedná se o kapotáž zadní části vozidla. Slouží k usměrnění obtékaného vzduchu. Někteří lehocyklisté si „tailboxy“ vyrábějí sami různými způsoby. Často z kompozitů nebo outdoorových spacích podložek – karimatek. Špičkou mezi lehokoly s nízkým aerodynamickým odporem jsou celokapotovaná vozidla, zvaná „velomobily“. Kvůli kapotáži by na jednostopém bicyklu nebylo možné zastavit bez pádu, takže se tato lehokola dělají většinou se třemi koly. Dvoukolové jsou jen závodní speciály,

Obr. 11 LWB lehokolo Bachetta Bella AT s OSS řízením [17] kde oporu v nízkých rychlostech zajišťuje tým lidí.

Lehokola mají kromě lepší aerodynamiky a vyšší rychlosti i jiné přednosti. Nenapodobitelné mezi HPV je pohodlí posedu na sedačce. Jezdec sedí na partiích k sezení určených, čímž se vyhýbá bolestem nebo zdravotním potížím jistých částí těla. Úlevu pocítí také paže, zápěstí, záda, krk. Dalším aspektem charakteristického posedu je široký výhled do krajiny, což přispívá nejen bezpečnosti provozu, ale také bohatším zážitkům z jízdy.

Vše má ale svá pro a proti a lehokola netvoří výjimku. Jezdec nepocítí zrovna blaho při cestě do kopce, kde nemá možnost tzv. nastoupit do pedálů ani v náročnějším terénu. Nohy vystrčené vpřed sice znamenají vynikající deformační zónu, zároveň jsou ale v ohrožení na křižovatkách se špatným rozhledem. Jezdec si musí najet opravdu hluboko, víceméně celým kolem, do křižovatky, než má dostatečný výhled na všechny strany. Náročnější je také otáčení hlavy přes rameno. Nechť si každý vybere, jaké vlastnosti HPV jsou pro něj prioritní.

Brno 2011 29

Vybraná HPV

5.3 Azub 5

Lehokolo Azub 5 je turistické pohodlné kolo s vynikajícími jízdními vlastnostmi.(cit Azub.cz) Tento model typu „highracer“ je postaven ne předním 20“ kole a zadním 26“ kole. Řízení je volitelné USS nebo OSS. Komfort zajišťuje přední odpružená vidlice a tlumič zadní stavby. Benefitem všech kol Azub je systém IPS (Ideal Position System) pro opravdu bohaté nastavení sedačky. Délce noh jezdce lze přizpůsobit vzdálenost šlapací osy od sedačky. Bicykl je připraven na dodatečnou montáž mnoha doplňků jako je nosič, stojan, windshield, rychloměr, osvětlení, atd. Firma Azub nabízí osazení komponenty dle požadavků uživatele. Hmotnost se právě podle použitých komponentů a doplňků pohybuje od 16 kg výše.

Obr. 12 SWB lehokolo Azub 5 s USS řízením [18]

5.4 Sculltrek

Toto vozidlo s velmi primitivní konstrukcí zastupuje veslokola, na nichž se jezdec rukama drží pevné části kola, zatímco pohybem paží, trupu a nohou zajišťuje pohon. Rám Sculltreku je z nerezové oceli. Jeho hlavní částí je přímá trubka čtvercového průřezu, po níž jezdí 2 kluzáky. Na předním kluzáku má jezdec opřené nohy a je k němu připevněno ocelové lanko, které vede k zadnímu náboji a roztáčí kolo. Druhý kluzák je určen k sezení jezdce a pohon přímo nijak nezajišťuje. Přitahováním a odtlačováním od řídítek se jezdec pohybuje na sedacím kluzáku a tím zvětšuje rozsah záběru hnacího nožního kluzáku. Hnací fáze je, když se jezdec přitahuje pažemi a zároveň odtlačuje nohy od trupu, tak jako na veslici. Sculltrek je vybaven ráfkovými brzdami a převodovkou v zadním náboji o 7 převodech. Veškeré pohyblivé části vozidla jsou opatřeny valivými ložisky, které zabezpečují dlouhou životnost a snadnou údržbu. Výrobce uvádí, že potencionálními zákazníky nejsou jen veslaři, kterým

Brno 2011 30

Vybraná HPV

Sculltrek nahradí trénink na statickém simulátoru, ale také cyklisté, fitness centra, individuální zájemci o posilování svalů, sportovci jiných odvětví, ale také zájemci o rekreační využití [19]. Pro delší a náročnější vyjížďky ale Sculltreku chybí možnost pro uložení alespoň drobných zavazadel a větší rozsah převodů. Otázkou také je, nakolik fyzicky náročná je jízda kopcovitou krajinou, kde paže jezdce nemají ani z kopce příležitost k oddychu.

Obr. 13 Sculltrek - model [19]

5.5 Rowbike

Rowbike je pozemní vozidlo, jehož typ pohonu se velmi podobá veslování na vodě. Stejně jako u lodí i na Rowbiku má jezdec nohy upevněny k vozidlu a sedí na pohyblivém sedáku. Zatímco loď pohání veslař tahem za veslo, na Rowbiku tahá za řídítka spojená s tzv. Power- lever (pákou pro záběr). „Power-lever“ je přibližně vprostřed své délky uložena na čepu. Dolní konec táhne za řetěz, který následně roztáčí pastorky zadního kola. Jelikož při záběru se řetěz přesouvá přes pastorky jedním směrem, je potřeba mít jeho zásobu na opačné straně. Druhý konec řetězu je na pružném kordu připevněn v dutině „Power-lever“, aby bylo zajištěno neustálé napnutí řetězu. Řízené je přední kolo skrz ocelová lanka natažená přes kladky od řídítek. Rowbike je dostupný ve třech variantách. Všechny nabízí 7 převodů, ráfkové brzdy, stojan na opření kola. Dva modely, 720 Sport a 720 Crew, stojí na 20“ kolech a liší se pouze použitými plášti. Model 726 King je určen pro uživatele většího vzrůstu nebo zkušené jezdce. Tento typ má 26“ zadní a 24“ pření kolo. Rámy veslokol Rowbike jsou svařovány z profilů hliníkové slitiny EN-AW 7005. Použití Rowbiků odpovídá sloganu výrobce: „Total body fitness“, tedy v překladu něco jako „posilovna pro celé tělo“. K nějakému cestování toto kolo není určené, jde zkrátka o alternativu ke statickému veslovacímu trenažéru, se kterým jej výrobce na svých webových stránkách porovnává.

Brno 2011 31

Vybraná HPV

U Rowbiku vyzdvihuje například možnost cvičení na čerstvém vzduchu, proměnlivé zatížení kvůli měnícímu se provozu a charakteru cesty, možnost volit přehazovačkou obtížnost záběru. To vše přispívá k tomu, že cvičení je mnohem zábavnější a méně únavné. Nikoliv nepodstatnou výhodou Rowbiku oproti trenažéru je možnost převážení na střeše automobilu stejně jako běžné kolo.

Obr. 14 Rowbike 720 Crew [20]

5.6 Rowingbike

Jedním z nejpropracovanějších pozemních veslovacích vozidel je Rowingbike od společnosti Thys. Svým vzezřením připomíná lehokola s horním řízením. Již při prvním pohledu zaujme sedačka pevně spojená s rámem. Rowingbike je veslokolo, na němž trup jezdce, respektive jen pozadí, je statický vzhledem k rámu vozidla a o pohon se starají horní a dolní končetiny. Řídítka jsou kolem čepu u hlavové trubky naklápěcí v předozadním směru a lankem přes kladku v přední části rámu spojena s kluzákem. Kluzák se po rámové trubce pohybuje na valivých ložiskách. Síla od noh je na něj vyvíjena skrz nášlapné pedály. Od kluzáku vede další lanko k zadnímu náboji, kde je navinuté na kužel se spirálovitou drážkou zvaný „Snek“. Jak jezdec tlačí nohama na kluzák a zároveň pažemi přitahuje řídítka, pohybuje se kluzák po rámové trubce směrem vpřed, čímž odvíjí lanko ze „Sneku“ a ten roztáčí zadní kolo. Na Rowingbiku je aplikován velmi unikátní systém převodů reprezentovaný právě „Snekem“ na zadním náboji a tzv. Revolverem na kluzáku. „Revolver“ je kruhový otočný zásobník lanka, dobře viditelný na Obr. 15. Změna převodu probíhá tak, že se převíjí lanko mezi „Snekem“ a

Brno 2011 32

Vybraná HPV

„Revolverem“. Necháme-li z „Revolveru“ odvinout kus lanka, to se navine na „Snek“ tak, že bude ze „Sneku“ vystupovat ke kluzáku na větším průměru. Tím se sníží převodový poměr. Naopak chceme-li přidat třeba na dlouhé rovině na rychlosti, potřebujeme zvýšit převodový poměr. Necháme tedy převinout ze „Sneku“ několik závitů lanka na „Revolver“. Lanko pak vystupuje ze „Sneku“ na malém průměru. Jedná se o velmi propracovaný systém, k jehož ovládání stačí jedno tlačítko na řídítkách. Stisknutím tohoto tlačítka a současným pohybem kluzáku se volí požadovaný převod. Mezi jednotlivými převody, kterých je přes 100, je tak malý rozdíl, že si výrobce dovolil celý systém označit jako „Continous Variable Transmission“ (CVT), čili „průběžné proměnné řazení“. Specifikem tohoto mechanismu je skutečnost, že během záběru postupně převodový poměr roste. Je to dáno tím, že se lanko odvíjí ze „Sneku“ a tím se zmenšuje průměr, na kterém táhne. Výrobce tento fakt ale vydává za výhodu, protože síla, kterou je schopen člověk nohami vyvinout během záběru roste s tím, jak se nohy v koleni narovnávají. Dokladem funkčnosti tohoto převodování je pokoření mnoha kopců na ostrově Kypr a nejnáročnějších stoupání na trase Tour de France. Kromě již ověřené pohonné soustavy disponuje Rowingbike i jinými exkluzivitami. U aktuálního modelu Thys 209 Carbon je poprvé použit kompozitový rám, tedy alespoň jeho část, na které nepracuje kluzák. Přední vidlice je nově také z kompozitu a je pouze jednostranná. Ve vidlici je usazeno 20“ přední kolo. Kolo zadní má průměr 26“. Osazeny jsou mechanické diskové brzdy s nastavitelnou vzdáleností destiček od kotouče. Nezměrnou výhodou Rowingbiku je reálná možnost použití na delší cesty stejně jako klasické jízdní kolo nebo lehokolo. Výrobce neopomněl toto veslokolo vybavit nosičem na brašnu pro zavazadla ani držákem na láhev s pitím.

Obr. 15 Karbonový Rowingbike THYS 209 [21]

Brno 2011 33

Volba koncepce HPV

6 Volba koncepce HPV

Mým hlavním požadavkem na nový typ HPV bylo, aby mělo co největší přínos pro člověka. Aby sloužilo nejen k zábavě, ale zároveň mělo i silný praktický potenciál. Vozidlo by mělo být každodenně použitelné. Takovými parametry se vyznačuje jednoznačně jízdní kolo. Není proto divu, že je nejrozšířenějším vozidlem planety. Rozhodl jsem se tedy pro návrh netradičního vozidla jako bicyklu, který by jiným způsobem napodobil oceňované vlastnosti „Bezpečného jízdního kola“. Bicykl je charakterizován jako jednostopé dvoukolové vozidlo, hnané některým z nepřímých pohonů (vysvětleno v kapitole „Možnosti pohonu HPV“), tzn. nikoliv odrážením od země.

6.1 Volba pohonu HPV

Pohon, jakožto jedna z nejdůležitějších charakteristik vozidla, by měl samozřejmě korespondovat s požadavky kladenými na celé vozidlo. U vozidel hnaných člověkem je správný návrh hnací soustavy daleko zásadnější, než kdekoliv jinde. Efektivnost, snadné použití, ne příliš složitá konstrukce, zapojení těch nejvhodnějších partií těla, snadnost údržby, životnost jsou některé z požadavků kladených na pohony pro HPV.

Dlouhou historií ověřené pro pohon vozidel na lidskou sílu resp. bicyklů je tzv. šlapání. Tento cyklický rotační typ pohonu je za více než 100 let aplikování na stovkách tisíc vozidel konstrukčně na téměř dokonalé úrovni. Jeho popularita svědčí o celkové vhodnosti pro pohon HPV.

Dalším z mála pohonů, splňujících náročné požadavky pro použití na vozidlech hnaných lidskou silou je tzv. veslování. Jeho varianty užívané na bicyklech se až překvapivě přibližují efektivitě šlapacího pohonu. Podle výzkumů některé konfigurace dokonce překonávají šlapání, ty ale nejsou v praxi použitelné pro vozidla, pohybující se v otevřeném dopravním provozu. Veslování ale oproti šlapání umožňuje na pohánění vozidla zapojit celé tělo. To může být sice nevýhodou např. pro co nejpohodlnější dojíždění do práce, ale ze sportovního hlediska se jedná o náhradu za menší domácí posilovnu. Naproti tomu šlapání využívá pouze síly nohou, které máme od doby Homo Erectus nejlépe trénovány na fyzickou námahu, tudíž není tolik vyčerpávající.

Způsob, jakým se pohony HPV šlapáním a veslováním vzájemně doplňují, mě zaujal natolik, že jsem se začal zabývat myšlenkou na kombinaci těchto pohonů na jediném vozidle. Míra hodnoty takového bicyklu pro spotřebitele může překonat i dosud nejuniverzálnější běžné jízdní kolo.

Po úvaze, inspirován nápadnou podobností mezi lehokolem a veslovacím Rowingbikem, jsem dospěl k úsudku, že nejvhodnější implementace veslo-šlapacího pohonu bude na bicyklu, vycházejícím v některých znacích právě z lehokola typu SWB (Short Wheel Base).

Brno 2011 34

Objasnění funkce pohonu

7 Objasnění funkce pohonu

Pohon je složen ze tří soustav napojených v jednom uzlu. Tímto uzlem je středová hřídel na Obr. 16 označená písmenem „A“. Červená čárkovaná čára označuje primární řemenový převod. Ozubený řemen je veden po levé části rámu při pohledu z pozice jezdce. Poloha jezdce je zřejmá z umístění sedačky „S“ a pedálů. Kliky s pedály jsou uloženy na ložiskách ve středové trubce kluzáku „B“. Kluzák je zásadní součást tohoto kombinovaného pohonu. Veškeré operace, které musí uživatel provést při transformaci mezi šlapacím a veslovacím kolem, se dějí právě na něm. Kluzák je na kladkách posuvný po přímé rámové trubce před hlavovou trubkou „C“. Pro šlapání je možné jeho pohybu zamezit a fixovat jeho polohu na kterékoliv pozici kluzné trubky.

Máme-li kluzák upevněn, je možné se zapřít do pedálů a roztočit tak hnací řemenici na ose klik, která skrz ozubení pohání řemen dle směru šipky. V přední části rámu se řemen na řemenici otáčí a volně (bez jakéhokoliv kontaktu s kluzákem!) vrací zpět přes vodící řemenici „D“ až k samotné hnané řemenici na hřídeli „A“. Hřídel je tedy řemenem poháněna ve směru hodinových ručiček při pohledu na Obr. 16. Po pravé straně bicyklu vede od hřídele „A“ k zadnímu kolu sekundární řetězový převod, načrtnutý modrou barvou. Hřídelí „A“ roztáčený pastorek pohání klasický válečkový řetěz, který následně roztáčí kazetu na zadním náboji, čímž uvádí zadní kolo do rotace a celý bicykl do pohybu vpřed.

Obr. 16 Vedení řemenového (červeně) a řetězového (modře) převodu

Pro změnu na veslovací pohon je potřeba provést několik úprav. Ještě než vysvětlím samotný princip na tomto vozidle použitého veslovacího pohonu, je potřeba upozornit na jeho specifickou konstrukci. Veslování obvykle chápeme jako současný protiběžný záběr paží a nohou. U naprosté většiny veslovacích vozidel, ať už vodních či pozemních, je záběr horních a dolních končetin nějak provázaný. Buď nelze hnát vozidlo pažemi bez účasti nohou, nebo naopak. Mnou navrhnutý pohon disponuje plně nezávislými systémy pro záběr pažemi a nohami. Jelikož jsou ale nohy výrazně vhodnější pro pohon vozidla, budu označovat právě pohon dolními končetinami samotný za veslování a pohon pažemi považovat za přiřaditelný dle volby jezdce.

Brno 2011 35

Objasnění funkce pohonu

Jak již bylo uvedeno, všechny modifikace vozidla pro změnu pohonu se provádí na kluzáku „B“. Je potřeba uvolnit kluzák na kluzné trubce, otočit jednu z klik (pravou, na níž není řemenice) o 180 stupňů tak, aby pedály měly stejnou vzdálenost od sedačky a jezdec mohl snožmo zabírat (Obr. 17). Posledním krokem úprav je zafixování rotace klik kolem jejich osy. S těmito třemi zákroky je vozidlo připravené k veslování. Zatlačením do pedálů se začne kluzák vzdalovat od jezdce. Tím, že jsou kliky a s nimi i hnací řemenice neotáčivé kolem osy zaberou drážky řemenice za zuby řemenu a ten se začne posouvat stejnou rychlostí jako kluzák a opět roztáčí řemenici na hřídeli „A“. Další přenos hnací síly k zadnímu kolu je již identický s šlapacím nastavením.

Obr. 17 Řemenový a řetězový převod, doplněný o systém ručního pohonu (zeleně)

Pohon horními končetinami, označený zelenou barvou na Obr. 17, vychází ze záběru za řídítka kolem osy hřídele řízení „E“. Řízení připomíná typ USS používaný u lehokol. Řídítka jsou po obou stranách jezdce, spojuje je právě hřídel řízení. Otáčením řídítek kolem (téměř) svislé osy se táhlem (na obrázku nenaznačeno) ovládá přední kolo. Záběrem za řídítka směrem šikmo vzhůru vznikne na hřídeli kroutící moment. Na hřídel je v ose vozidla připevněn zobáček, který se otáčí stejnou úhlovou rychlostí. Jeho konec vyvíjí tlakovou sílu na táhlo, které ji přenáší na volnoběžnou spojku upevněnou uprostřed hřídele „A“.

Z nezávislosti pohonu horních končetin na pohonu těch dolních, a to nejen při veslování, ale obecně na tomto vozidle, plyne další zajímavá možnost hnaní. Pohon pažemi lze totiž použít i při nastavení kluzáku na šlapání. Neočekávám, že by přidání ručního pohonu ke šlapání při vysokém tempu jízdy mělo nějaký pozitivní účinek, o čemž ostatně svědčí výsledky na závodních tratích – veškeré rekordy jsou stanoveny na vozidlech hnanými pouze šlapáním nohama. Ovšem pro odpočinkové tempo by mohla lehká práce pažemi znamenat jak mírné navýšení rychlosti, tak především zpestření jízdy. Věřím, že by tuto možnost ocenili i někteří zájemci o posílení těla jako alternativu k veslování.

Brno 2011 36

Jednotlivé konstrukční prvky

8 Jednotlivé konstrukční prvky

Tato kapitola prezentuje řešení jednotlivých prvků konstrukce vozidla, jejich funkce a vysvětluje důvody pro volbu právě takovýchto provedení.

8.1 Řemenový převod

8.1.1 Ozubený řemen Ozubený řemen je jedna z mála alternativ k válečkovému řetězu, který se k pohonu bicyklů nejběžněji používá. Pro primární převod z kluzáku na hnanou středovou hřídel byl vybrán z několika důvodů. Požadovaným kritériím nejlépe odpovídá polyuretanový řemen od společnosti Gates Poly Chain® GT® Carbon™ 8MGTC-3600-12. Jedná se o nejvýkonnější typ řady Poly Chain s roztečí zubů 8 mm, délkou 3600 mm a šířkou 12 mm.

Některé vlastnosti vybraného řemenu dle [22]:

- Robustní, kompaktní konstrukce, vhodná pro přenos vysokých kroutících momentů. - Patentované ozubení GATES. - Elastomerní polyuretanová směs, která tvoří hřbetní část a zuby, má výbornou přilnavost ke kordu a vláknům, nízkou měrnou hmotnost, je odolná vůči chemikáliím, olejům a nečistotám, je odolná proti otěru a proto má výjimečnou trvanlivost, a provoz je možný při teplotách od - 54°C do +85°C. - Uhlíková tažná vlákna zajišťují řemenu absolutně nejvyšší výkonnost. Mají vyšší E-modul než ocelový kord při minimálním protažení. Mez únavy při střídavém napětí v ohybu je výjimečná a díky vysoké rázové vrubové pevnosti vzdoruje rázovému zatížení a vibracím. Chemicky je vlákno inertní, odolné vůči olejům, chemikáliím a nečistotám. - Povrchová plocha je speciální tkanina z vlákna s úpravou, která snižuje tření na řemenicích a tím redukuje hluk a omezuje zvyšování provozní teploty. Tyto vlastnosti vylučují nutnost mazání, zaručují otěruvzdornost a minimální údržbu.

Obr. 18 Řez řemenem Gates PCGT Carbon [22]

Brno 2011 37

Jednotlivé konstrukční prvky

Klady řemenového převodu Důvody, které vedly k použití ozubeného řemenu namísto válečkového řetězu:

· Hmotnost Primární převod, tak jak je navrhnutý, má vcelku velký obvod, tudíž hmotnost média, přenášejícího síly, není zanedbatelná. Nejenže ovlivní celkovou hmotnost vozidla, ale při veslování, kde je potřeba vyvíjet kolem okrajových poloh pohybu nohou sílu na deceleraci a akceleraci pohonné jednotky, znamená větší hmotnost setrvačných hmot daleko namáhavější práci pro jezdce. Při délce řemenu 3600 mm je jeho hmotnost 355 gramů. Stejně dlouhý válečkový řetěz typu Campagnolo Record C10, což je jeden z vrcholných modelů, by vážil 603 gramů.

· Čistota Řemen není poskládán ze vzájemně pohyblivých součástí, tudíž nevyžaduje mazání styčných ploch. Jelikož je na vozidle aplikován na otevřeném místě a nelze jej kvůli koncepci pohonu vést v krytu, je jeho čistý provoz podstatnou devízou. Kontakt s jezdcem nemusí být za jízdy výjimečnou záležitostí a i při stání může vést exponovaná poloha řemenu ke kontaktu s okolo se pohybujícími lidmi.

· Bezúdržbovost Řetěz vyžaduje pro co nejdelší životnost především čištění a mazání. Řemen, jak již bylo zmíněno, nemažeme. Samozřejmě tvrdé nečistoty ohrožují „měkký“ řemen daleko více než řetěz, takže je nutné je co nejdříve odstranit. Na vozidle je řemen veden výše nad vozovkou, což pozitivně přispívá k prevenci před nečistotami.

· Životnost Výrobce udává, že řemen PC GTC má až 6x delší životnost oproti článkovým řetězům. U bicyklů se řetěz obvykle vyměňuje z důvodu přílišného prodloužení rozteče článků, což vede k nezapadnutí válečku řetězu mezi zuby pastorku a padání řetězu. S řetězem se opotřebovávají také ozubená kola, která je nutné vždy měnit s řetězem. V řemenu použitá uhlíková vlákna odolávají natažení lépe než ocelové články řetězu. Mimo to je i životnost řemenic podstatně delší. Přispívá tomu povrchová úprava řemenu, provedení zubu řemenu a oproti řetězovým převodům větší styčná plocha mezi zubem a drážkou řemenice.

· Tichý chod Tichému chodu přispívá absence třecích styčných povrchů a kontaktů kov-kov, povrchová úprava řemenu, ale také výkonnost řemenu. U řemenových převodů totiž jisté množství hluku vzniká při vysokých rychlostech vytlačováním vzduchu z drážek řemenice. Použitím vysokovýkonného řemenu je možné zmenšit jeho šířku a tím vydávaný hluk redukovat.

Brno 2011 38

Jednotlivé konstrukční prvky

· Účinnost Účinnost převodu vyjadřuje poměr mezi výstupním a vstupním výkonem. Ideálem je 100 procentní účinnost, která je však v praxi nedosažitelná. Účinnost moderních synchronních řemenových převodů se neliší od účinnosti řetězového převodu. Pohybuje se mezi 95 a 98 procenty.

Zápory řemenového převodu Aspekty, které znevýhodňují řemen oproti řetězu:

· Řemenice na zakázku Řemenice, použitelné v navrženém převodu nejsou v běžné nabídce. Sériové řemenice nesplňují požadavky na rozteč drážek, šířku, materiál řemenice a způsob uchycení řemenice. Je potřeba nechat vyrobit řemenice na zakázku podle výkresové dokumentace. Tvary drážek musí odpovídat předpisu výrobce řemenu, aby nebyla omezena jeho životnost. Licenci pro výrobu takových řemenic má jen málo firem v České republice.

· Cena Jednorázové finanční náklady jsou u řemenového převodu vyšší než u řetězového. Delší životností řemene i řemenic se ale z dlouhodobého hlediska provozní náklady srovnávají. V navrhovaném převodu jsou nejdražšími položkami zakázkově vyrobené řemenice, ovšem řemen kvůli své délce taktéž není levnou záležitostí.

· Délka pouze dle výrobní řady Ozubené řemeny se vyrábí pouze v jednotlivých délkových řadách. S rostoucí délkou jsou rozdíly mezi vedlejšími řadami stále větší. Např. kolem řemenu dlouhého 3600 mm jsou nejbližší vedlejší dostupné řemeny o délce 3280 mm a 4000 mm. Tomuto faktu je potřeba přizpůsobit celou konstrukci vozidla.

· Neopravitelnost Řemen je tvořen z jednoho celku, tudíž není možná výměna jeho částí, jako u řetězu. Bohužel je řemen i snáze porušitelný cizím zaviněním.

· Hmotnost řemenic Řemenice jsou oproti řetězovým pastorkům hmotnější, zato je lze vyrobit z lehkých a méně odolných materiálů.

Tento řemen se v rozměrové modifikaci používá i pro pohon klasických bicyklů. Zavádění řemenových převodů je ale pomalé. Brzdícími faktory jsou nutnost dělené zadní stavby pro nasazení řemenu a možnost použití pouze řazení v náboji planetovou převodovkou, který nabízí méně převodových stupňů a je také mnohem nákladnější než běžný systém řazení přehazovačkou. Použití na mém vozidle tyto problémy nebrání.

Brno 2011 39

Jednotlivé konstrukční prvky

8.1.2 Řemenice

Pro realizaci řemenového převodu podle návrhu je zapotřebí 7 řemenic (Obr. 19). Z toho jsou 4 vnitřní s drážkami a 3 vnější hladké. Výrobce řemenu stanovuje nejmenší možnou vnitřní řemenici s 25 drážkami a nejmenší možnou vnější řemenici bez drážek o průměru 3 palců, což je přibližně 75 mm. Osa řemene je ve vzdálenosti 48 mm vlevo od podélné střední roviny rámu vozidla.

Obr. 19 Rozmístění řemenic řemenového převodu

Řemenice 1 je přišroubovaná ke klikám skrz standardní systém 4 děr na roztečné kružnici o průměru 104 mm. Počet zubů řemenice (56 z) vychází z výpočtu celkového převodového poměru bicyklu, tedy se zahrnutím řemenového i řetězového převodu. Lehokola vyžadují široké spektrum převodů. Na jednu stranu jsou totiž rychlejší než silniční kola, ale na druhou stranu je nutný lehký převod pro jízdu do kopců, které se vyjíždí tzv. frekvenčním stylem šlapání. Proto jsem veškerá převodová kola přizpůsobil tak, aby se nejlehčí převod bicyklu blížil nejlehčímu převodu na horském kole a naopak nejtěžší převod měl podobnou hodnotu jako nejtěžší převod kola silničního. Zpřevodování bicyklu se podrobněji věnuje některá z dalších kapitol.

Řemenice 2 a 3 jsou vnější napínací řemenice. Jsou hladké a mají nejmenší možný průměr 75 milimetrů. Jejich pozice, společně s pozicemi řemenic 4 a 7, je taková, aby část horní větve řemene byla rovnoběžná s „kluznou trubkou“. To je důležité pro funkci veslovacího pohonu. Pokud by řemen nevedl mezi řemenicemi 4 a 7 rovnoběžně s „kluznou trubkou“, pak by při pohybu kluzáku docházelo ke změně obvodu řemenového převodu, čímž by se řemen příliš napínal nebo uvolňoval.

Řemenice 4 je vnitřní s počtem zubů 26, což je nejmenší možný počet zubů, větší než 25, z normované řady. Poloha je dána nejen rovnoběžností částí horní větve řemenu mezi řemenicemi 4 a 7 s kluznou trubkou, ale také tak, aby řemen mezi řemenicemi 4 a 6 nekolidoval se sedačkou.

Brno 2011 40

Jednotlivé konstrukční prvky

Řemenice 5 společně s řemenicí 7 mají polohu takovou, aby spodní větev řemenu mezi těmito řemenicemi byla rovnoběžná s „kluznou trubkou“. To sice není důležité pro funkci pohonu, ale není tím tolik narušen vzhled vozidla. Dalším parametrem, který jsem bral v úvahu pro určení polohy řemenice 5 je její kolmá vzdálenost od horní větve řemenu mezi řemenicemi 4 a 6, kterou jsem chtěl nastavit co největší. A to proto, že právě v místě řemenice 5 jsou sobě ozubené strany řemenu nejblíže a na nerovnostech nebo při prudkém záběru není vyloučen průhyb řemene, jenž by mohl vést až k zaseknutí zubů obou větví řemene do sebe. Řemenice 5 je opět hladká o průměru 75 milimetrů.

Řemenice 6 je hnaná řemenice řemenového převodu. Má 36 zubů a na hřídel je nasazena přes volnoběžnou spojku. Volnoběžka funguje hlavně v režimu veslování, kde umožňuje vratný pohyb kluzáku, aniž by středová hřídel musela měnit směr rotace. Dále volnoběžka zamezuje přenosu momentu vzniklého ze záběru pažemi do pohonné soustavy nohou.

Řemenice 7 je vnitřní s 36 zuby. Počet zubů je shodný s řemenicí 6 s nadějí na snížení výrobních nákladů, ačkoliv provedení upevňování obou řemenic bude diametrálně odlišné. Řemenice 7 má napínací funkci řemenového převodu. Je uložena v oválné díře posuvně o 15 mm směrem pro uvolnění řemene a o 25 mm směrem pro napnutí řemene.

Všechny řemenice zamýšlím vyrobit ze zatím nespecifikované hliníkové slitiny. Řemenice 2, 3, 4, 5 a 7 jsou uloženy na valivých kuličkových ložiskách s těsněním. Řemenice 6 bude vyrobena tak, aby byla namontovatelná na volnoběžku pro BMX a trialové bicykly (Obr. 20). Tato volnoběžka má vnitřní závit typu BSA, jímž se našroubuje na hřídel. Tento závit je z palcové soustavy. Jeho vnější průměr je 1,37 palce a stoupání vyjádřeno jako 24 tpi, což je zkratka anglického „threads per inch“ a v překladu znamená počet závitů na palec. Volnoběžka pro řemenici 6 bude muset být méně obvyklá typu LHD s levým závitem. To proto, aby se tahem řemenu neuvolňovala z hřídele.

Obr. 20 Biketrialová volnoběžka ECHO SL [23]

Brno 2011 41

Jednotlivé konstrukční prvky

8.2 Řetězový převod

Řetězový převod na navrhovaném veslo-šlapacím vozidle je velmi podobný převodu, používaném na běžném bicyklu. Využívá klasický válečkový řetěz o rozteči 1/2 palce a na rozdíl od řemenového převodu tímto již lze volit různé převodové poměry. Na zadním náboji je namontována devíti-rychlostní kazeta s pastorky od 11 do 34 zubů. Na středové hřídeli jsou po pravé straně od jezdce našroubována 3 ozubená kolečka se 14, 22 a 34 zuby. Přesouvání řetězu na zadní kazetě zajišťuje klasická přehazovačka. Přední pastorky obsluhuje měnič. Ten je také běžně dostupným komponentem, ale jedná se o méně používaný druh s upínáním „Direct mount“, nikoliv na svorku kolem sedlové trubky, jak nejčastěji vídáváme. Měniče s tímto systémem upínání vyrábí Shimano a Sram, ale ve vzájemně nekompatibilních provedeních. Rozhodl jsem se pro systém Shimano. Měniči je potřeba na rámu připravit upínací rozhraní přesně podle dokumentace výrobce. V podstatě se jedná o polohovací drážku a závitovou díru na připevnění měniče šroubem. Na klasickém rámu je toto rozhraní navařeno. Na navrhovaném rámu je možné jej do rámu vyfrézovat.

Přední ozubené pastorky je nutné pro správnou funkci měniče vhodně umístit na hřídeli. Korekce polohy pastorků je umožněna jemným stoupáním závitu, kterým jsou na hřídeli uchyceny. Pastorky je také nutné vyrobit na zakázku, jelikož s takovým upínacím systémem nejsou sériově produkovány. Vzdálenost mezi osou středové hřídele a osou zadního náboje, tzv. chainstay, je o více než 100 mm delší, než bývá u klasického bicyklu, což umožňuje využívat i převody, které jinak způsobují tzv. křížení řetězu. Na druhou stranu to znamená větší hmotnost řetězu.

Brno 2011 42

Jednotlivé konstrukční prvky

8.3 Pohon pažemi

Pohon záběrem pažemi je vlastně druhým pohonem vozidla (Obr. 21). Ačkoliv je primárně určen pro doplnění veslování nohami, tím, že je na nožním pohybu plně nezávislý, může být použit i se šlapáním nebo samostatně. K pohonu vozidla tímto způsobem slouží řídítka, kterými je zároveň vozidlo ovládáno. Řídítka jsou otočná kolem dvou os. Osa pro pohon je kolmá na podélnou středovou rovinu vozidla, osa řízení je kolmá na osu pohonu a je skloněna vpřed pod úhlem 15 stupňů. Není tedy kolmá ani na rámovou trubku, což by bylo z hlediska výroby nejjednodušší, ale i s její osou svírá úhel 15°. Důvod tohoto provedení vysvětlím dále.

Obr. 21 Sestava mechanismu ručního pohonu na rámu

Řídítky (1 na Obr. 22, žlutě) se tedy otáčí hřídelí (2), na které je upevněn ve střední části „zobáček“ (3 – zeleně). K němu je přes dvě kloubová oka připojeno táhlo pohonu (4), jenž je na svém druhém konci dalším kloubovým okem spojeno s volnoběžnou spojkou (5). Přitažením řídítek se „zobáček“ natočí a skrz táhlo a volnoběžku otočí středovou hřídelí (6).

Obr. 22 Mechanismus ručního pohonu

Brno 2011 43

Jednotlivé konstrukční prvky

Hřídel ručního pohonu (2) je uložena na dvou průmyslových ložiskách v trubce. Na tuto trubku je kolmo navařen sloupek řízení (obojí dohromady modře, na Obr. 22označeno 7), jenž slouží k uložení přes hlavová ložiska typu A-head v hlavové trubce řízení rámu. Na sloupek je po pravé straně z pohledu jezdce přivařeno raménko (viditelné lépe na Obr. 23), které je táhlem (8) spojeno s dalším raménkem na přední vidlici (9), čímž je prováděno řízení vozidla.

Obr. 23 Detail uložení hřídele ručního pohonu

8.3.1 Požadavky a příslušná řešení

Nastavení řídítek Vozidlo je určeno široké veřejnosti snad kromě příliš malých dospělých a dětí. Sedačka je přibližně půl metru nad zemí, což je výška sedáku kancelářské židle. U vozidla ale není podmínkou, aby jezdec dosáhl pohodlně na zem. Stačí, když dosáhne bezpečně. Spektrum proporcí možných uživatelů je tedy značně široké, proto je potřeba, aby bylo vozidlo co nejlépe přizpůsobitelné konkrétnímu jezdci. Řídítka je možné nastavit jak do šířky tak také do délky. Pro nastavení šířky volíme kompromis mezi pohodlím záběru za řídítka a zachováním dostatečného rejdu. Přitahování paží je pochopitelně pohodlnější, jsou-li co nejblíže tělu, zatímco pro široký rozsah úhlů zatočení je vhodné mít řídítka dále od sedačky resp. těla. Nastavení délky souvisí s týmiž aspekty, ale navíc má vliv i na projev záběru. Čím dále od hřídele zabíráme za řídítka, tím větší kroutící moment můžeme vyvinout za použití téže síly. Délka této vzdálenosti je ale omezena dosahem jezdce, nároky na rejd, který je menší v některých úhlech naklonění řídítek a také pohodlím řízení i záběru. Délka řídítek je nastavitelná asi do 400 mm od hřídele, šířka řídítek může být až přibližně 800 mm.

Brno 2011 44

Jednotlivé konstrukční prvky

Kompletní nastavení řídítek se provádí na představci, který drží řídítkovou trubku na hřídeli. Jedná se o běžný komponent, který je používán na vzpřímených bicyklech, kde drží řídítka na vidlici. Vyrábí se v různých délkách, takže jeho volbou je možné dál ladit geometrii řízení. Použit je typ s upínacími průměry 9/8 palce (odpovídá 28,6 mm) a 7/8 palce (22,2 mm), jenž se v současnosti uplatňuje na BMX kolech. Důvod pro volbu právě tohoto typu je ten, že gripy a objímky brzdových a řadících pák mají právě průměr 22,2 mm, tudíž trubka řídítka může být po celé délce o stejném průměru, což snižuje náklady na výrobu i hmotnost. Jiné typy představců mívají stejný upínací průměr 9/8 palce, druhý bývá buď 1“ nebo 10/8“. Použití takových představců by vyžadovalo úpravu řídítek spočívající v zmenšení průměru na velikost 7/8“ na jejich konci.

Dostatečný rozsah zatáčení Jak již bylo zmíněno, rozsah úhlů zatočení je ovlivněn mimo jiné nastavením řídítek a v té souvislosti také schopností jezdce vybrat vhodné naklopení řídítek. Při malých úhlech naklopení řídítek vzhledem k podložce a nedostatečné vzájemné vzdálenosti řídítek je rejd omezen boky jezdce. Dalším naklopením řídítek se rejd zvětší. Na druhou stranu zase klesá pohodlí ovládání. Maximální úhel zatočení řídítek, pokud pomineme možný kontakt s jezdcem či jeho neblahé pocity v některých polohách, je v menších úhlech naklopení řídítek (do ~35° od vodorovné roviny) technicky možný i přes 45 stupňů. S dalším naklápěním se limitní úhel zatočení postupně zmenšuje kvůli kolizi mezi táhlem pohonu a rámem nebo nedostatečnému rozsahu úhlového naklopení kloubového oka mezi táhlem a volnoběžkou. Při naklopení řídítek o 75° je možno řídítky zatočit ještě o 25 stupňů. Také kloubové oko, spojující zobáček s táhlem, značně omezovalo rozsah zatáčení. Původně totiž bylo navrženo jen jedno kloubové oko v tomto uzlu, které mělo být namontováno osou díry kuličky rovnoběžně s podložkou. Takové uspořádání umožňovalo dostatečné úhly naklápění řídítek záběrem, ale úhly zatočení byly omezeny pouze na 13° o které je možné osu kuličky naklopit v domečku. Bohužel se kloubová oka s většími rozsahy nevyrábějí. Z toho důvodu jsem způsob napojení táhla modifikoval. Využil jsem toho, že dřík oka má stejný průměr jako díra v kuličce a na původní oko nasadil druhé. Tím, že jsou osy děr na sebe kolmé, je zajištěna neomezená rotace do obou potřebných směrů. Paradoxně je v tomto provedení na škodu naklápění kuličky, protože to může způsobit nekontinuální chod ať už zatáčení nebo záběru. Například při zatáčení se bude otáčet kulička nasazeného oka kolem osy své díry, což je v pořádku, ale zároveň může dojít k naklápění kuličky prvního oka a při větších úhlech zatočení je možné, že dosáhne až své limitní pozice. V ten okamžik se zasekne, což změní rázem chování řízení. Jak moc otravný může být tento efekt je nutné posoudit v praxi. Případné řešení je náhrada kloubového oka vyrobeným domečkem se závitovým dříkem, do kterého se vlisuje kuličkové ložisko.

Požadavek na dostatečný rozsah otáčení řídítek plyne z nároku na vozidlo, aby bylo schopné se otočit na běžné dvouproudové silnici o 180°. Poloměr plného zatočení (turning radius) by měl být maximálně 3 metry.

Brno 2011 45

Jednotlivé konstrukční prvky

Dle [24] lze poloměr zatočení rz vyjádřit jako:

(1)

Jedinou neznámou ve vzorci je úhel zatočení. Ten vyjádříme úpravou rovnice (1):

(2)

w rozvor kol

δ úhel zatočení

Φ úhel hlavové trubky vidlice

Aby se tedy jezdec otočil na cestě o šířce 6 metrů, potřebuje jet samozřejmě při okraji a zatočit řídítky asi o 25°.

Spolehlivý přenos sil Aby byl pohon pažemi prakticky použitelný a dostatečně efektivní, je nutné konstrukcí mechanizmu zabezpečit přenos sil ze samotných paží až na hnané kolo bicyklu. Pohon horními končetinami není kvůli slabšímu svalstvu úplně nejjednodušší, takže pokud by docházelo k zbytečným ztrátám vložené energie, uživatel by mohl omezit jeho zapojení, což by vedlo k jisté degradaci celého veslovacího pohonu.

Při přenosu sil od řídítek k zadnímu kolu je prvním uzlem upevnění řídítek k hřídeli představcem. V objímce představce, držící řídítka, nepůsobí síly nebo momenty v kritických směrech, takže nehrozí žádné posuny. Zato objímka obepínající hřídel musí smykovým třením přenášet velké momenty, aniž by došlo ke změně vzájemné polohy. Tato objímka bývá utahována dvěma šrouby s válcovou hlavou a vnitřním šestihranem se závitem M6. Šrouby volím o pevnosti 8.8, což znamená mez pevnosti v tahu 800 MPa a mez kluzu v tahu 640 MPa. Představce jsou vyráběny z hliníkové slitiny EN-AW 6061 a tepelně zpracovány na stupeň T6. Tato slitina má mez kluzu 240 MPa. Výpočet se zabývá odolností šroubů proti potřebnému přepětí nutného k vyvolání dostatečné třecí síly mezi hřídelí a objímkou a dále kontrolou tlaku v závitech matice. Tu je nutné provést pro matice, které nejsou normalizované, což se týká i tohoto případu. Vnitřní závity pro šrouby jsou vyrobeny přímo v těle představce. Pozdější pevnostní kontrola rámu je provedena pro tahovou sílu za řídítka

Fr rovnu 317 N, proto na tuto sílu kontroluji i svěrný spoj mezi představci a hřídelí ručního pohonu. Délku řídítek l1 uvažuji 0,3 m. Moment Mr, který musí přenést jeden představec:

(3)

Brno 2011 46

Jednotlivé konstrukční prvky

Normálová síla na jediný šroub objímky představce FN:

(4)

Způsobené napětí ve šroubu σH je potom:

(5)

Napětí vyhovuje, tlak v závitech šroubu p se vyjádří jako:

(6)

Tlak v závitech je také daleko pod mezní hodnotou.

dH průměr hřídele ručního pohonu

fH koeficient smykového tření mezi objímkou a hřídelí

S3 plocha průřezu šroubu

zč počet činných závitů

d2 roztečný průměr závitu d jmenovitý průměr závitu

d1 malý průměr závitu matice

Výpočet prokázal, že tento uzel je schopen spolehlivě přenést zatížení z řídítek na hřídel.

Dalším uzlem, kde je nutné přenést moment na jinou součást je kontaktní plocha mezi hřídelí a zobáčkem. Zobáček je vyroben ohýbáním výpalku z plechu o tloušťce 3 mm. Celý zobáček je tvořen ze dvou stejných částí. Ohnutý plech je nasazen z levé i z pravé strany hřídele a mezi volné konce je pak přišroubováno kloubové oko. Samotný přenos momentu je zabezpečen tvarovým spojem. Na hřídeli je obrobena drážka, na výpalku je výčnělek, který do drážky pasuje. Výpalky jsou na hřídel nasunuty a poté dotaženy maticemi. Toto řešení přináší jistý přenos momentů. Nepříjemností je obstarání dotahovacích matic se závitem M35x1,5, které

Brno 2011 47

Jednotlivé konstrukční prvky bohužel nejsou normalizované. Je možné sice matice s takovýmto závitem sehnat, ale jedná se o mohutné kousky, jenž jsou zbytečně těžké.

Na zobáček je přes dvě vzájemně kolmá kloubová oka připojeno táhlo. Táhlo je vyrobené z trubky z hliníkové slitiny a má vnější průměr 9 mm, tloušťku stěny 2 mm a délku 150 mm. Do hloubky přibližně 15 milimetrů od obou čel trubky jsou zašroubována kloubová oka s vnějším závitem M6. Táhlo je namáháno na vzpěr. Síla v táhlu Fth nesmí překročit hodnotu kritické síly Fkr:

(7)

(8)

Síla v táhlu je skutečně menší, než kritická vzpěrná síla, tudíž na táhlu k překročení meze vzpěrné stability nedojde.

EAl modul pružnosti hliníkové slitiny

J2 kvadratický moment průřezu trubky

lth délka táhla

l2 délka zobáčku

Připojení táhla na volnoběžku je prostřednictvím kloubového oka a nepřináší žádné komplikace. Další přenos sil se již netýká ručního systému, takže bude rozebrán v příslušných kapitolách.

Zatáčení na obě strany o stejném průběhu Že má vozidlo zatáčet doleva i doprava je samozřejmé. Stejně samozřejmě očekáváme, že zatáčka na obě strany se povede stejně, pokud řídítky zatočíme o stejný úhel, akorát zrcadlově obráceně. U navrhovaného vozidla nebylo úplně jednoduché této vlastnosti dosáhnout. Jelikož hlavová trubka řízení a hlavová trubka vidlice jsou skloněny pod různými úhly a umístěny ještě v různých výškách, nebylo zpočátku zatáčení úplně symetrické. V CAD programu jsem iteračními úpravami náčrtu mechanismu řízení dosáhl nakonec téměř optimální geometrie,

Brno 2011 48

Jednotlivé konstrukční prvky která zaručuje, že jezdec při ovládání kola nepocítí žádnou nesymetričnost. Parametry, které mají vliv, a bylo možné je upravovat v tomto systému, jsou následující: poloha upevňovacího bodu táhla řízení ke sloupku řízení, poloha upevňovacího bodu táhla ke sloupku vidlice, mírně naklopení a poloha hlavové trubky řízení. Existovalo ale mnoho faktorů, které možnosti konfigurace řízení značně omezovaly. Bylo potřeba brát ohledy na vyrobitelnost, hmotnost, neomezení funkčnosti ručního pohonu, vyhnout se konfliktům s rámem, sedačkou, řetězem, vidlicí.

Zdánlivě nesmyslná pozice hlavové trubky řízení je dána kompromisem, uspokojujícím maximum podstatných požadavků a omezení. Mezi takové patří například: malý prostor mezi rámem, řetězem a zadním kolem pro umístění řízení, zajištění kvality řízení a pohonu (objasňuje právě tato kapitola) nebo i zlepšení odolnosti rámu proti namáhání.

Vzájemná nezávislost řízení a pohonu Další významnou devízou ručního pohonu je skutečnost, že nijak neovlivňuje zatáčení. Stejně tak zatáčení neomezuje záběr pažemi. Jinými slovy můžeme říct, že zatáčení nezpůsobuje nechtěný záběr a zároveň záběr nezpůsobuje nechtěné zatáčení. Obojí je reálné díky několika úpravám v systému.

Aby při zatáčení nedocházelo k záběru, tedy aby táhlo pohonu na volnoběžku nepůsobilo v záběrném směru, je nutné zajistit, aby bod upevnění táhla k zobáčku byl ve všech polohách naklopení řídítek před osou zatáčení řídítek. Z toho důvodu je trubka pro uložení hřídele ručního pohonu na sloupek řízení navařena o několik milimetrů vpřed. Požadavek na široký úhel natáčení zobáčku kolem osy záběru nebylo možné splnit tak, aby ve spodní pozici řídítek směřoval zobáček rovnoběžně s osou sloupku řízení. Zobáček je nakloněn o několik stupňů vzad, ale v současném provedení mechanismu řízení (právě s předsunutou trubkou pro uložení hřídele) je bod upevnění táhla i v nejzazší pozici před osou sloupku řízení. To znamená, že při otočení řídítek, ať už jsou naklopená o jakýkoliv úhel, se bod pro připojení táhla otáčí po kružnici a posouvá se směrem vzad, což způsobí neškodnou rotaci vnějšího kroužku volnoběžky ve volném směru.

Nezávislost řízení na záběru je zajištěna umístěním hnacích součástí, jimiž jsou volnoběžka, táhlo a zobáček, v prostředku vozidla. Původně měly být po levé straně vozidla, kde je dostatek volného prostoru. Toto řešení ovšem mělo zásadní nevýhodu, že při záběru by vznikaly na řídítkách reakce, které by způsobovaly otáčení řídítek kolem osy řízení. Jezdec by i v přímém směru jízdy, pokud by hnal vozidlo pažemi, byl nucen korigovat zatáčení. To je nepřípustné. Proto jsem přistoupil k variantě s hnacím mechanismem uprostřed vozidla. Se zřejmým přínosem ale souvisely i jisté komplikace. Schůdné řešení vedlo ke složitější konstrukci hřídele ručního pohonu, ale také středové hřídele, kde je potřeba nasadit volnoběžku mezi kuličková ložiska ve středových domečcích. Další nevýhodou byl stísněný prostor mezi držáky středových ložisek na rámu. I přes náročnější a nákladnější konstrukci věřím, že tato úprava má smysl a ruční pohon tak neztratí ze své perspektivy.

Brno 2011 49

Jednotlivé konstrukční prvky

Záběr až o 90 stupňů Praktickou zkouškou jsem se snažil odhadnout, v jakém rozsahu naklopení řídítek je schopen jezdec na ně dosáhnout, držet je a používat k řízení i záběru. Pokus jsem ještě podložil zakreslením modelové figuríny o normovaných rozměrech dospělého muže do 2D obrazu navrhovaného bicyklu. Normy o proporcích člověka ale udávají pouze rozměry, nikoliv úhly natočení kloubů nebo pocity, které v různých polohách svých končetin člověk vnímá. Proto jsem se při modelování krajních poloh paží jezdce na bicyklu řídil pouze vlastním odhadem. Pro pohon vozidla je samozřejmě nejlepší co největší možný rozsah naklopení řídítek. Delší záběr je efektivnější. Z mého zkoumání mi tedy vyšlo, že dostatečný úhel, o který bude možné řídítky zabrat je asi 90°. Implementace takového rozsahu do systému pohonu pažemi nebyla úplně samozřejmá. Zásadní vliv má vzájemná pozice trubky pro uložení hřídele ručního pohonu a středové hřídele. Kolem prvně jmenované hřídele se otáčí zobáček, kolem té druhé raménko volnoběžky. Počáteční a koncový úhel natočení zobáčku (mezi nimiž je těch 90°) musely být určeny v souladu s další geometrií řízení. Nebylo možné stanovit koncový úhel tak, aby byl zobáček příliš natočen, jelikož hranici tvořila spojnice osy hřídele ručního pohonu s bodem upevnění táhla na raménku volnoběžky. Po překročení této linie se již bod upevnění táhla pohonu na zobáčku začal vzdalovat od volnoběžky, jež tedy přestala přenášet sílu na středovou hřídel, nýbrž se otáčela zpět ve volném směru. Pro stanovení počátečního úhlu zobáčku zase bylo podstatné, aby byla zachována nezávislost řízení a pohonu, takže bod upevnění táhla na zobáčku nesměl překročit osu sloupku řízení. Takto bylo určeno právě předsunutí trubky pro uložení hřídele řízení. Různým lidem může vyhovovat různě natočených 90 stupňů, použitelných pro pohon. Nastavení se provádí natočením řídítek na hřídeli řízení, zobáček by měl mít stále tutéž polohu.

Různé převody záběru Pohonu pažemi se pochopitelně týká zpřevodování řetězového převodu. To znamená, že zařadím-li si lehčí převod do kopce, protože mám již unavené nohy, bude snazší i zabrání pažemi. Nelze ovšem stanovit univerzální poměr výkonnosti horní a spodní poloviny těla pro všechny uživatele. Někomu je příjemnější záběr nohami a paže používá jen zlehka pro zpestření, jiný zabírá intenzivně všemi svaly, aby zlepšil celkovou kondici. Proto je vhodné mít systém nastavení, který uspokojí široké spektrum nároků v této oblasti. Na navrhovném vozidle zajišťuje stanovení poměru mezi nožním a ručním pohonem možnost radiálního polohování upevňovacího bodu táhla pohonu na volnoběžce. Je-li táhlo upevněno dále od osy volnoběžky, je na středovou hřídel vyvíjen větší kroutící moment. Na druhou stranu je ale omezen úhel, o který se středová hřídel jedním záběrem za řídítka otočí. V opačném případě, kdy je upevnění táhla co nejblíže ose volnoběžky, není kroutící moment na hřídeli tak velký, ale zato je širší úhel otočení středové hřídele, který dokonce převyšuje 90 stupňů, o kterých se můžou naklopit řídítka. Zde jsem se opět snažil umožnit co nejširší možnosti nastavení. Znovu mě ale různé faktory omezily. Směrem k ose volnoběžky není možné přiblížit montážní pozici pro táhlo více, než nakolik je ještě ponecháno dostatek prostoru pro tělo kloubového oka. Směrem dále od osy volnoběžky překáží rámová trubka. Rozsahu převodových poměrů na volnoběžce bylo nutné přizpůsobit i délku táhla pohonu.

Brno 2011 50

Jednotlivé konstrukční prvky

Nepředpokládám totiž nutnost změny jeho délky při posunutí upevňovacího bodu na volnoběžce, takže by mělo být univerzálně dlouhé pro všechny možnosti převodů. Při návrhu táhla jsem bral ohled na co největší efektivnost přenosu síly z táhla na rameno volnoběžky. Ta je největší sice jen v jednom okamžiku, když je táhlo na rameno kolmé, ale snažil jsem se, aby byl úhel záběru symetrický kolem ideální polohy. Zároveň jsem ale musel hlídat, aby při upevnění táhla blízko k ose volnoběžky nekolidovalo táhlo s tělem volnoběžky v koncových polohách záběru.

Kompatibilita s maximem sériových komponent Využívání co nejvíce již vyráběných sériových dílů se snažím uplatnit na celém vozidle, nejen na systému pro pohon pažemi a řízení. Stejně tak dbám na to, abych pro výrobu různých součástí využíval polotovary, které jsou běžně dostupné.

Sériové díly, které jsou použity na mechanismu řízení a ručního pohonu:

· Představce

Ty je možné použít sériové, ale jelikož jsou právě ty kompatibilní používány na kolech BMX, jsou pro účel použití na mém vozidle předimenzované a těžké.

· Kloubová oka

Jsou běžně dostupná. Oka použitá na upevnění táhla na zobáčku by ale byla vhodnější bez naklápěcí kuličky. Taková se ale nevyrábí. Ostatní oka by zase mohla mít větší úhel naklopení kuličky.

· Volnoběžka

Je použit volnoběžný pastorek z BMX kola o 16 zubech, na který je vyrobena nástavba pro upevnění táhla.

· Hlavové složení

Naprosto běžná ložiska typu A-head pro uložení vidlice na klasických kolech.

· Ložiska pro uložení hřídele řízení

Průmyslová ložiska s těsněním, jejichž obdoba o menších rozměrech se používá u moderních bicyklů na středovém složení.

· Brzdové páky, řadící páčky, gripy

Komponenty na řídítkách, jimž je průměr řídítek a tedy i představec přizpůsoben. Neexistují alternativy, jedinou možností jsou řídítka s proměnným průřezem.

· Šrouby, matice, podložky

Spojovací materiál pro upevnění kloubových ok.

Brno 2011 51

Jednotlivé konstrukční prvky

Možnost zablokování pohonu pažemi Věřím, že uživatel nebude mít vždy chuť hnát vozidlo pažemi. Je to přeci jen únavnější než pohon dolními končetinami a ke šlapání se to leckomu nemusí hodit vůbec. Rád bych umožnil jezdci zablokovat řídítka v libovolné pozici v rozmezí úhlu záběru a v nejlepším případě poskytl možnost tak učinit bezprostředně za jízdy ovladačem na řídítkách. Momentálně se tímto ale nezabývám, jelikož se nejedná o nepostradatelný mechanismus k provozu vozidla.

8.4 Kluzák

Jak již bylo zmíněno, kluzák je zásadní prvek celého pohonu vozidla. Jeho konstrukce umožňuje hnát vozidlo jak šlapáním, tak veslováním. To si zvolí uživatel před jízdou provedením několika úprav, všech pouze právě na kluzáku. Před tím, než se seznámíme s nutnými úpravami a konstrukčními řešeními k těmto úpravám potřebnými, krátce si popíšeme jednotlivé součásti týkající se kluzáku.

Základním dílem je samotné tělo kluzáku (1 na Obr. 24). Na něm jsou připevněny všechny ostatní součásti, které umožňují požadované funkce. Pro šlapání jsou bezpodmínečně nutné kliky (2), uložené ve středové trubce na těle kluzáku. Na levé klice je přišroubována hnací ozubená řemenice (na obrázku pod číslem 3, v dřívější kapitole o řemenovém převodu označována jako řemenice 1). Na ramenech vycházejících ze středové trubky těla kluzáku jsou připevněny hladké řemenice (4). Tyto byly dříve v příslušné kapitole pojednávány jako řemenice 2 a 3. Pro pohon šlapáním jsou také důležité svěrníky (5). Pro změnu veslovací pohon by se neobešel bez pojezdových kladek (6).

Obr. 24 Sestava kluzáku

Brno 2011 52

Jednotlivé konstrukční prvky

8.4.1 Veslování

Kluzák, jak lze již ze samotného názvu i obrázku vytušit, je schopen translačního pohybu po rámové trubce. Jezdec se z pokrčených noh zapře do pedálů, čímž kluzák odtlačuje od těla. Pro tento pohyb, kdy obě nohy zabírají snožmo je ovšem nevhodné uspořádání klik takové, jak je vyobrazeno na Obr. 24. Z respektu k ergonomii je ideální mít oba pedály stejně daleko od trupu. Z toho důvodu je pro veslování nutné pravou kliku obrátit na ose o 180 stupňů (Obr. 25). K tomuto úkonu postačí povolit 2 šrouby (pozici ukazují šipky) imbusovým klíčem velikosti 5, kliku snadno z osy stáhnout a po nasazení opět šrouby utáhnout.

Obr. 25 Sestava kluzáku - kliky otočené jedním směrem

Při záběru nohami do pedálů v tomto nastavení kluzáku se kliky nejprve pootočí a poté budou směřovat ve směru zrovna působící síly. To znamená, že jejich poloha by byla značně nestabilní, což by vedlo nejen ke ztrátám energie, ale také k značnému nepohodlí jezdce. Proto je potřeba polohu klik zafixovat, nejlépe ve směru, v němž se většina působené síly přenese přímo na ložiska a nikoliv na fixační systém. Zároveň by tento směr měl být co nejvíce rovnoběžný s trajektorií pohybu kluzáku po rámu. Rámová trubka, po níž se kluzák pohybuje je skloněna od vodorovné roviny pod úhlem 10°. Z nákresu modelové figuríny, zaujímající pozici jezdce na vozidle, jsem odhadl vhodný směr klik ve vodorovné rovině. Nyní existují ale stále dvě možnosti, jak kliky nastavit, buď pedály blíže k jezdci, nebo dále od jezdce. Obě varianty jsou možné. Menší jezdci využijí první variantu (Obr. 26), ti vyšší zase tu druhou. Rozdíl mezi oběma případy ve vzdálenosti pedálů od sedačky při téže poloze kluzáku na rámu je roven dvojnásobku délky klik, tedy 350 milimetrů. Samotné zastavení rotace klik kolem osy se děje našroubováním dvou osazených šroubů skrz díry v těle kluzáku do závitových děr na klikách, které běžně slouží k namontování nejmenšího převodníku. Ideální pro toto použití by byl šroub podle normy ISO 7379, ale závit tohoto šroubu je s hrubou roztečí M8x1,25, zatímco závit v klice je jemný M8x1. Podobná situace je i u alternativních normovaných šroubů, takže tyto šrouby bude nutné vyrobit podle výkresu, případně obrobit některý z větších šroubů.

Brno 2011 53

Jednotlivé konstrukční prvky

Obr. 26 Sestava kluzáku - zafixované kliky směrem blíže k jezdci

Jelikož se osazení šroubů opírají o plošky na klice, není závit namáhán střihem, ale pouze tahem. Osazení je namáháno ohybem a smykem. Šroub si lze v tomto případě nahradit jako vetknutý nosník s osamocenou silou Fp, působící na jeho konci. Velikost této síly vychází ze síly Fv, působící na pedály:

(9)

Napětí, vzniklé na osazení šroubu:

(10)

(11)

(12)

αv úhel působení síly Fv dos průměr osazení šroubu

lk délka kliky σp normálové napětí na osazení šroubu průměr roztečné kružnice montážních děr d τ smykové napětí na osazení šroubu 64 pro nejmenší převodník na klice p vzdálenost mezi tělem kluzáku a čelem l σ redukované napětí osazení šr. dle HMH p díry pro nejmenší převodník pHMH

Mez pevnosti osazení šroubu ve střihu je 730 MPa, tudíž i jediný šroub odolá s rezervou vyvíjené síle. Druhý šroub lze použít na vymezení jemných pohybů kliky, které umožňuje toleranční pole díry v těle kluzáku.

Brno 2011 54

Jednotlivé konstrukční prvky

8.4.2 Šlapání

Pro šlapání potřebujeme kliky otočné kolem osy a hodí se, když směřuje každá opačným směrem. Takže obě provedené úpravy pro veslování vrátíme do původního stavu. Záběrem do pedálu záhy zjistíme, že tyto operace nejsou pro pohon šlapáním ještě dostatečné. Nastane totiž složený pohyb, kdy se kliky sice otáčí kolem své osy, ale zároveň se posouvají podél rámu až do doby, kdy na pedál nedosáhneme. Je zapotřebí pohybu kluzáku zamezit, aby šlapací osa zůstala translačně nepohyblivá podél rámu. To zajistíme utáhnutím 2 šroubů M6 s rýhovanými maticemi, procházejícími horními oky svěrníků (Obr. 27). Svěrníky se tak přimknou skrz výřezy v těle kluzáku k rámové trubce a vzniklá třecí síla nedovolí kluzáku jakýkoliv posun. Zároveň je omezen pohyb i v ostatních osách díky tvarování svěrníku kolem rámu a tak odlehčeno ložiskům pojezdových kladek.

Obr. 27 Sestava kluzáku - upevnění kluzáku k rámu

Celá přeměna z veslovacího na šlapací vozidlo a naopak je zajištěna pouze šroubováním 6 šroubů. Všechny jsou typu s válcovou hlavou a vnitřním šestihranem na jedinou velikost klíče číslo 5, což je jeden z nejpoužívanějších klíčů pro servis nebo nastavení bicyklů.

8.4.3 Jednotlivé díly kluzáku

Kliky Jsou vlastně nutné pouze pro šlapání, k veslování bychom se bez nich obešli, ale již bylo zmíněno, že jsem jich využil k přiblížení pedálů co nejblíže k sedačce. Kliky jsem volil co nejobvyklejší, aby měl uživatel možnost výběru ze široké nabídky. Jedná se o MTB kliky délky 175 mm s dutou osou. Tento typ nabízí několik značek, jako například Shimano, Truvativ, FSA, Sram. Délka je měřena od osy šlapání k ose pedálu. Dutá osa je jeden z nejnovějších systémů uložení klik v středové trubce rámu. Do kliky s převodníky je vlisována ocelová trubka, na jejímž konci je drážkování. Do středové trubky se zašroubují

Brno 2011 55

Jednotlivé konstrukční prvky speciální ložiska, jejichž výhodou je skutečnost, že vlastní kuličkové ložisko je mimo středovou trubku, tudíž valivé elementy mohou být větší a proto odolnější. Skrz ložiska se prostrčí osa a na její vyčnívající konec se nasadí druhá klika. Její upínací díra je naříznutá a opatřená dvěma šrouby, jimiž se klika k ose dotáhne, což umožňuje dosud nejjednodušší sundávání a nasazování kliky. To je pro mé vozidlo velmi důležitá vlastnost, jelikož změna pohonu mezi šlapacím a veslovacím vyžaduje právě obrácení jedné z klik. Závit ve středové trubce je mezi výrobci rámů i komponentů standardizovaný tzv. anglický (BSA). Rozměry ložisek a průměry os se ale mohou lišit, proto je doporučeno používat kliky i ložiska od téhož výrobce. Obchodní názvy tohoto systému uložení jsou např. Hollowtech II (Shimano), MegaExo (FSA), GXP (Truvativ). Další výhodou klik s dutou osou kromě snazší montáže a demontáže a větší odolnosti je nižší hmotnost celé soustavy klik s osou a ložisky, než mají uložení s čtyřhrannou nebo ISIS osou.

Obr. 28 Kliky Shimano Deore FC-M532 [25]

Může se zdát přehnané použití MTB klik. Vozidlo přece bude používáno výhradně na silnicích a zpevněných cestách, proč tedy nepoužít kliky pro silniční kola? I silniční kliky jsou běžně dostupné v délce 175 mm s dutou osou. Jejich nevýhodou je ale absence nejmenšího převodníku a tedy i upínacích otvorů pro něj. Těchto otvorů využívám pro zablokování otáčení klik kolem osy při veslování. Další odlišností, která pro mě ale není rozhodující, je odlišné upínání velkých převodníků na 5 šroubů u silničních klik místo čtyřech u MTB klik. Mimo to mají kliky pro silniční a horská kola s dutou osou téměř stejnou hmotnost.

Pro konstrukci kluzáku a určení polohy řemenové linky bylo důležité znát vzdálenosti mezi funkčními plochami na klikách, které ale nejsou výrobci zveřejňovány, proto jsem musel vycházet z vlastnoručně naměřených hodnot. Měření jsem provedl na klikách FC-M532 Shimano Deore Hollowtech II. Jedná se o kliky střední třídy, které můžeme řadit na špičku mezi produkty v hodnocení poměru cena/výkon. Kluzák a vlastně celé vozidlo je tedy navrženo podle rozměrů těchto klik. Věřím, že jiné typy klik jak od Shimana, tak od jiných výrobců se nebudou rozměrově lišit o mnoho, ale pro vedení řemenu rozhodují jednotlivé milimetry, takže kompatibilitu pohonu s jinými klikami je nutné ověřit a případně lehce přizpůsobit. To by mělo být v jistých mezích zajistitelné použitím podložek.

Brno 2011 56

Jednotlivé konstrukční prvky

Ke klikám jsou přišroubovány pedály. Jelikož u veslování je potřeba pomoci kluzáku k návratu do blízké polohy, jsou použity pedály nášlapné, jež umožňují i tah za pedál. Toho se využívá ale i u šlapání. Často diskutovaná je bezpečnost těchto pedálů. Při potřebě odšlápnutí na zem se z pedálu vystupuje pootočením chodidla jakoby kolem osy holení kosti. Obtížnost tohoto vycvaknutí lze na pedálu nastavit předepnutím pružinky i na velmi nízkou úroveň, takže ani začátečníci nebo slabší jedinci se nemají čeho obávat. Přesto bych doporučil se s těmito pedály seznámit nejprve na kole, na kterém již uživatel jízdu zvládá bez problémů. Pro začátky na navrhovaném vozidle je jistě lepší začít se šlapáním. Pro tento způsob pohonu nejsou nášlapné pedály bezpodmínečně nutné. První rozjezdy je lepší provádět za asistence jiné osoby, ale mnoho lidí zvládne premiéru i naprosto bez pomoci. Veslování na vozidle je pro naprostou většinu lidí zcela neobvyklou záležitostí. Zvláště rozjezdy mohou činit potíže. Proto by měly první odveslované metry být jištěny podporou od další osoby. Významným pomocníkem pro učení jízdy na navrhovaném vozidle může být pohon pažemi, který zajistí dostatečnou energii pro udržení rovnováhy, zatímco nohy si zvykají na atypický pohon.

Pojezdové kladky Kladky mají zajistit co nejsnazší posunování kluzáku po rámu při veslování. K zamezení pohybu kluzáku ve všech směrech kromě toho translačního podél rámu je nutné použít určité množství kladek. Já se snažil jejich počet minimalizovat, což mělo vliv i na tvar průřezu pojezdové části rámu. Nejmenší možný počet k plnohodnotnému splnění daného požadavku je pravděpodobně 6. S ohledem na šlapací pohon, odhadované cenové náklady, náročnost výroby i vzhled jsem se nakonec dostal ke kladkám sedmi. Čtyři kladky jsou umístěny šikmo shora, což je řešení, díky němuž je počet kladek tak nízký, jelikož tyto kladky zachycují nejen svislou translaci, ale i stranovou. Dvě kladky jsou v dolní části kluzáku po stranách a jedna je přímo ze spodu. Vlastnosti, které by měly kladky splňovat, jsou následující: tichý chod, pomalé opotřebování, co nejmenší opotřebovávání rámu, nízký valivý odpor, nízká hmotnost, malé rozměry, dostatečná únosnost. Nabídka kladek, odpovídajících těmto požadavkům není příliš bohatá. Vybral jsem vodící rolny od firmy Blickle. Jedná se vlastně o kuličková ložiska s nalitými běhouny z polyuretanu Blickle Extrathane. Materiál běhounu je podle výrobce [26] elastický, otěruvzdorný, vysoce odolný proti proříznutí a dalšímu trhání, nebarví kontaktní materiály, šetří jízdní povrch, tichý chod, nízký valivý odpor, velmi dobrá chemická přilnavost k disku kola. Tyto rolny se vyrábí v mnoha velikostech, ovšem nejmenší začínají od průměru 30 mm a šířky 8 mm, a ty také na vozidle použiji.

Obr. 29 Vodící rolna [26]

Brno 2011 57

Jednotlivé konstrukční prvky

Svěrníky Svěrníky jsou komponenty z hliníkové slitiny, které slouží k připnutí kluzáku na rámovou trubku. Jsou uloženy na čepu ve spodní části kluzáku. Čep je vložen ve dvou domečkách, jednom z každé strany svěrníku. Oky v horní části svěrníků je veden šroub, kterým se stahují protilehlé svěrníky k rámu. Mezi horními oky jsou na kluzáku přivařeny přepážky. Ty pomáhají zvýšit tuhost systému při stáhnutých svěrnících a také působí jako opěrné plochy pro tlačné pružiny, nasazené na dotahovací šrouby z obou stran každé přepážky. Pružiny jsou mezi přepážkami a svěrníky proto, aby zamezily nežádoucímu pohybu svěrníků ve volném stavu a omezily tak mimo jiné i hluk. Pružiny jsou vybrány tak, aby umožnily dotažení svěrníků do těsného sevření a zároveň při povoleném šroubu odtlačovaly svěrníky dostatečně daleko od rámové trubky. Vybral jsem pružinu o průměru drátku 0,63 mm, středním průměru pružiny 8 mm, minimální délce ve stlačeném stavu 10,2 mm, maximální délce ve volném stavu 37 mm a tuhosti 0,37 N/mm.

Obr. 30 Svěrník

Tělo kluzáku Nosná konstrukce pro kliky, kladky, a svěrníky je svařena z hliníkových polotovarů. Základem je trubka o vnějším průměru 65 mm a tloušťce stěny 2 mm. Průměr rámové trubky je 50 mm, čímž je dána mezera mezi tělem kluzáku a rámem 5,5 mm. Stejnou mezeru jsem se snažil zachovat i mezi spodními profily pojezdové rámové trubky a kluzáku. Ty jsou z U- profilů, profil na kluzáku má rozměry 30x30x30x2. Výška bočních stěn profilu není dostatečná k zachování řečené mezery mezi rámem a kluzákem. Rozdíl je asi 1,37 mm, upřednostnil jsem polotovar o normovaném průřezu. Velikost mezery mezi rámem a kluzákem je dána především dostupnými profily, ale je účelná také pro funkci pohonu. Rám ani kluzák nejsou ideálně tuhé, proto se mohou při zatížení různě deformovat. Mezera je dostatečně velká na to, aby mezi rámem a kluzákem nedošlo za jízdy ke kontaktu.

V trubce i U-profilu jsou vyfrézovány otvory pro kladky a těsně k nim přivařeny úchyty kladek. Původní návrh počítal se šrouby nastavovacími úchyty, aby bylo možné změnou polohy vymezit vůle po opotřebování běhounů kladek. Usoudil jsem ale, že takové řešení by bylo příliš náročné na výrobu a pro začátky není úplně nutné. Při veslování se s malými vůlemi obejdeme. Zachoval jsem pouze nastavování spodní kladky k ověření vlivu přítlaku kladek k rámu na průběh pohonu a nastavování spodních bočních kladek. To je ovšem řešeno velmi primitivně. Na U-profil jsou dále navařeny po stranách úchyty na čepy svěrníků. Shora trubky pak přepážky mezi svěrníky. Vprostřed horní části je na dvou stojinách z plechu přivařena středová trubka pro uložení klik. Uvnitř středové trubky je z obou stran vyroben

Brno 2011 58

Jednotlivé konstrukční prvky závit BSA. Z leva je na tuto trubku zevnějšku nejprve nasazen a poté přivařen držák napínacích řemenic. Geometrie držáku společně se vzdáleností středové trubky kluzáku od rámu byla volena tak, aby byl úhel opásání hnací řemenice co největší. Zároveň jsem musel brát ohledy na velikosti a umístění řemenic, které mají vliv na rovnoběžnost horní větve řemenu s pojezdovou rámovou trubkou.

Obr. 31 Tělo kluzáku

8.5 Rám

Návrh rámu vozidla je jednou ze stěžejních položek zadání. Není ale možné navrhnout rám jen tak sám o sobě. Pokud má rám reálně plnit veškeré funkce, pro které je navrhován a odpovídat všem požadavkům na něj kladeným, pak se samotný návrh provedení rámu stává až poslední fází vývoje. Před tím je potřeba specifikovat způsob použití vozidla, určit potencionální uživatele jak z hlediska rozměrů, tak jejich síly a schopností a dále získat detailní představu o funkci, rozměrech a provedení všech skupin, které jsou na rám napojeny. Vznikne obsáhlý seznam nároků, které je potřeba všechny uspokojit. Některé z nich si přitom mohou vzájemně odporovat, což vede k nutnosti zavedení kompromisu nebo v případě mechanických soustav (systém pohonu, způsob řízení, atd.) k návratu zpět a pozměnění jejich konstrukce při zachování funkce. Vozidla na lidský pohon mají v dnešní době hendikep v tom, že jsou ve většině Světa prakticky nepotřebná a snadno nahraditelná. Člověk je využívá pouze ze svého rozmaru, takže jakmile by měla být pro něj příliš nepohodlná

Brno 2011 59

Jednotlivé konstrukční prvky k užívání, okamžitě by přišla o přízeň i jezdce. Proto je důležité dbát na precizní vyřešení všech problémů, které by mohly vážně narušovat přívětivost vozidla k uživateli.

Obr. 32 Rám

8.5.1 Požadavky na rám

Požadavků na rám bicyklu je opravdu velké množství. Nebudu se tedy v této kapitole zabývat těmi, které jsou pro člověka seznámeného s funkcí běžného vzpřímeného kola nebo lehokola jaksi automaticky předpokládané. Takovými myslím například že mají být kola za sebou, že přední vidlice má být otočná, že má být rám vybaven úchyty na brzdy a řazení a další. Spíše chci zmínit nároky na rám, které vyplynuly z netradiční koncepce tohoto HPV.

K návrhu rámu jsem využil 3D modelovacího programu SolidWorks, což mi značně zjednodušilo práci. Při navazování jednotlivých prvků rámu na sebe jsem byl ušetřen nepředstavitelného množství výpočtů o vzájemné kompatibilitě. Grafická podoba je nejnázornější. Zvolený program umožňuje upravovat všechny položky modelu a následně podle úprav model automaticky přestaví. Na virtuálním modelu jsem poté taky ověřoval kolizní situace mezi rámem a dalšími díly vozidla.

Vedení pro kluzák Přední část rámu slouží k vedení kluzáku při veslování, proto musí být naprosto přímá. Na hlavní rámovou trubku o průměru 50 mm a tloušťce stěny 2 mm je ze spodu navařen U-profil, jenž slouží jako opora k zachycení rotací kluzáku v nežádoucích směrech. Průřez byl volen s ohledy na náklady a složitost výroby jak rámu, tak souvisejícího kluzáku. Proto jsem chtěl

Brno 2011 60

Jednotlivé konstrukční prvky vycházet z normovaných běžně dostupných profilů. U-profil rámu bohužel úplně běžný není, takže bude vyroben z obdélníkového jäklu odebráním jedné z kratších stěn.

Uložení středové hřídele Středová hřídel je uzel všech částí pohonu. Poloha jejího uložení je ovlivněna ze všech směrů. Z přední části vede řemen. Ten se vyrábí jen v určitých rozměrech, kterým je nutné přizpůsobit polohu všech řemenic. Mezi středovou hřídelí a hlavovou trubkou uložení přední vidlice prochází horní větev řemenu mezi sedačkou a trubkou pro uchycení sedačky k rámu. Je potřeba zajistit, aby se řemen ani při určitém průhybu nezachytil. Vyřešení tohoto problému lze samozřejmě v mezích pomoci úpravou sedačky i úchytu pro ni. Od hřídele vzad vede řetěz. Ačkoliv větší vzdálenost mezi pastorky na středové hřídeli a na zadním náboji umožňuje větší kombinace převodů neboť je nižší riziko tzv. křížení řetězu, příliš velká vzdálenost pouze zvyšuje hmotnost vozidla nutností použít delší řetěz. Shora je uložení středové hřídele zase nutné přizpůsobit přesmykači pro přední ozubená kolečka. Jeho upevňovací rozhraní je obrobeno v držáku uložení středové hřídele a musí být dostatečně vzdáleno od rámové trubky, aby zůstalo dostatek prostoru na šroub. Samotné uložení je řešeno tak, že na plechových výpalcích přivařených po stranách rámu jsou navařeny domečky pro ložiska středové hřídele. Uprostřed hřídele je našroubována volnoběžka ručního pohonu, takže ložiska nejsou uložena ve společné trubce, jak bývá obvyklé, ale jsou zvlášť. Pravé ložisko je menší, aby byla vůbec hřídel namontovatelná.

Obr. 33 Detail rámu - držáky ložisek pro středovou hřídel

Ergonomie Ergonomii je vlastně nutné přizpůsobit všechno ostatní. Technický problém může mít různá řešení, zatímco člověka předělat nelze. Jedním ze základních kritérií byl rozsah nohou při veslování. Z praktického měření i přibližných teoretických odvození mi vyšla u průměrného muže výšky 185 cm minimální vzdálenost mezi opěradlem sedačky a pedály při pokrčených nohách kolem 600 mm. Při natažených nohách se tato vzdálenost pohybuje kolem 1200 mm. Vozidlo má ale být určeno široké veřejnosti, kam patří jak o hodně menší postavy, jako ženy, tak také vyšší muži. Přímá vodící rámová trubka má tedy přibližnou využitelnou délku 750

Brno 2011 61

Jednotlivé konstrukční prvky mm a na jezdci záleží, jak si nastavením klik na kluzáku zvolí maximální a minimální vzdálenost pedálů. Na kvalitu veslovacího pohonu má značný vliv také sklon pojezdové trubky rámu. Čím větší je úhel, který svírá se zemí, tím obtížnější je záběr, naopak snazší je návrat kluzáku do blízké pozice. Jako vhodný kompromis jsem zvolil úhel sklonu 10 stupňů. S ohledem na ergonomii je navržena i zbylá část hlavní rámové trubky. Vprostřed je prohnutá dolů, aby byl sedák dostatečně nízko a bylo možné se při nízkých rychlostech a rozjezdech opřít nohou o zem. Konec trubky je zase ohnut vzhůru. S vodorovným směrem svírá úhel 30°. Pod takovým úhlem je možné nejvíce naklopit opěradlo sedačky kolem spodního úchytu k rámu.

Aby jezdec mohl využít pohon pažemi, musí na ně pohodlně dosáhnout. Řídítka jsou nastavitelná do určité míry, ale vždy jejich pozice vychází z polohy uložení řízení v rámu. Sloupek řízení je uložen v hlavové trubce řízení. Její pozice a sklon jsou dány jak ergonomickými nároky, tak konstrukčními. Bylo nutné vtěsnat vcelku objemný mechanismus ručního pohonu a řízení do malého prostoru a zároveň ohlídat symetrii zatáčení vlevo a vpravo. O tom bylo už psáno v kapitole právě o ručním pohonu.

Uložení řemenic Přímo na rámu jsou 3 montážní body pro řemenice. Úplně v předku rámu je v rámové trubce drážka pro uchycení napínací řemenice (Obr. 34). Vertikální pozice drážky vyplynula z průměru napínací řemenice a vzdálenosti řemene od vodící trubky, jež je dána polohami řemenic na kluzáku. Řemen má být rovnoběžný s vodící trubkou. Umístěním napínací řemenice se stanovila linie spodní větve řemene podél pojezdové části rámu. Liniemi obou větví řemene podél přímé části rámu a známými průměry řemenic jsou dány polohy úchytů vodících řemenic, na kterých mění řemen směr k řemenici hnané. Úchyty těchto řemenic jsou provedeny jako trubky o vnějším průměru 16 mm se stěnou tloušťky 4 mm vevařené do rámu.

Obr. 34 Detail rámu - drážka pro napínací řemenici

Úchyty pro sedačku Montážní body pro sedačku jsou stejně jako u některých úchytů řemenic navrhnuty jako vevařené trubky. Poloha horního z obou úchytů je vcelku neomezená. Kolem spodního úchytu

Brno 2011 62

Jednotlivé konstrukční prvky vede řemen shora i zdola a to poměrně těsně, takže pozice je dána přibližně ve stejné vzdálenosti od obou větví řemene.

Uložení vidlice Přední vidlice je uložena v hlavové trubce přes axiálně-radiální kuličková ložiska. Z velikostí ložisek vychází rozměry hlavové trubky. Důležitým parametrem je ale její sklon. Úhel, pod kterým je vidlice uložena (anglicky „head angle“, Obr. 35), značně ovlivňuje jízdu na vozidle. Při posuzování úhlu sklonu hlavové trubky je potřeba vzít v potaz i další parametry jako jsou závlek (anglicky „trail“), průměr předního kola, předsazení kola („rake“).

Obr. 35 Geometrie přední vidlice [24]

O chování vozidla rozhoduje hodnota závleku. Čím je větší, tím je vozidlo stabilnější ve vyšších rychlostech. Při naklopení bicyklu do zatáčky má přední kolo tendenci zatočit právě do směru naklopení. Naopak v nízkých rychlostech je bicykl s velkou hodnotou závleku hůře ovladatelný. Podle závleku jsou pak určeny hodnoty předsazení předního kola a sklonu hlavové trubky.

Navrhované vozidlo je určeno na silnice a má mít velký rychlostní potenciál. Zároveň kvůli uplatněným typům pohonů jsou opodstatněné vyšší nároky na stabilitu vozidla a menší citlivost řízení. Proto je vhodné navrhnout uložení vidlice tak, aby hodnota závleku byla větší, než bývá běžné. Plánuji použít sériovou přední vidlici. Její předsazení je uzpůsobeno vzpřímeným kolům. Pokud chci zvětšit závlek, pak je nutné zmenšit úhel sklonu hlavové trubky. U vzpřímených bicyklů bývá vidlice skloněna přibližně pod úhlem 70 stupňů. Pro

Brno 2011 63

Jednotlivé konstrukční prvky uspokojení uvedených požadavků na ovládání navrhovaného vozidla volím úhel hlavové trubky 65 stupňů. Použitím vidlice s předsazením 20 mm by potom měl závlek hodnotu 98 mm.

Uložení řízení Řízení je na rámu uloženo skrz hlavovou trubku řízení. O aspektech majících vliv na její umístění již bylo psáno, tak ještě zmínka o samotném provedení. Uložení je vlastně shodné s uložením vidlice, takže v hlavové trubce řízení o přesném vnitřním průměru jsou nalisována ložiska hlavového složení typu A-head, jimiž je prostrčen sloupek řízení. Na přečnívající část sloupku nad horním ložiskem jsou navlečeny podložky a pomocí tzv. ježka naraženého uvnitř sloupku je shora dotaženo víčko. Případně může být místo podložek použita objímka, která se kolem sloupku dotáhne podobně jako představec na sloupek vidlice a tak ještě zvýší spolehlivost upevnění řízení k rámu.

Hmotnost U lehokol je vyšší hmotnost vozidla daleko více pocítitelná, než u vzpřímených kol. Jezdec si k pohonu nemůže nijak vypomoci svojí hmotností, což hraje velkou roli hlavně při jízdě do kopce. Proto jsem u každého řešení jednotlivých částí rámu vždy posuzoval, zda je hmotnost navrhovaného celku adekvátní k požadovaným funkcím. Na rám jsou připojeny ale další komponenty, jejichž hmotnost může být ovlivněna provedením rámu. Tomu jsem také neopomněl věnovat pozornost a návrh rámu podle toho přizpůsobil. Příkladem může být umístění uložení středové osy. To je co nejblíže hlavní rámové trubce, aby držáky z plechových výpalků nemusely být zbytečně velké. Zároveň jsem se v rámci možností snažil posunout uložení hřídele co nejblíže zadnímu kolu, abych snížil hmotnost použitého řetězu. Na hmotnost vozidla má významný vliv materiál použitý pro stavbu rámu. Použitelné a cenově dostupné jsou ocel a hliníková slitina. Ocel má obecně větší pevnost i mez kluzu, takže rám by mohl být postaven z menšího objemu materiálu. Naopak hliník má zase nižší hustotu. Ve výsledku by rám mohl být přibližně stejně těžký z obou materiálů. Ve prospěch rámu z hliníkové slitiny ale hovoří fakt, že pro koncepci pohonu navrhovaného vozidla jsou větší rozměry průřezů použitých profilů výhodnější.

Pevnost Má-li mít bicykl u uživatelů úspěch, měl by být nejlépe nezničitelný. Toho se ale těžko dosahuje, klademe-li stejný důraz na další vlastností vozidla jako jsou hmotnost, ovladatelnost, cena. Proto i odolnost vozidla je záležitostí kompromisu. Jistou životnost výrobku je ale potřeba zaručit vždy. U spotřebního zboží ze zákona minimálně 2 roky. Na životnost bicyklů mívá největší vliv způsob užívání a údržby. Ty lze vymezit návodem k použití, ale jen do jisté míry. U navrhovaného vozidla je předpokládané největší zatížení rámu způsobeno samotným pohonem vozidla. Nelze v návodu pro užívání definovat síly, kterými může ještě jezdec na hnací soustavu působit, protože jednoduše nejsou za jízdy určitelné jejich okamžité velikosti. Konstrukčně musí být tedy vozidlo navrženo tak, aby vydrželo všechny rozumné způsoby namáhání, které mohou nastat dle určení vozidla. Ověření

Brno 2011 64

Jednotlivé konstrukční prvky pevnosti navrženého rámu je samostatná položka zadání, proto se tímto tématem zabývá zvláštní kapitola.

Při návrhu rámu lze vycházet z přibližných odhadů výskytů kritických míst napětí, vycházejících ze zjednodušených pravidel mechaniky, ale pokud chceme mít jistotu odolnosti a současně dbát na nízkou hmotnost, je nutné každý návrh ověřit buď nákladnými praktickými zkouškami, nebo moderním způsobem počítačovou analýzou.

Snadná a nenákladná výroba Již jsem se několikrát zmínil o důrazu na nízké výrobní náklady vozidla. Cena je skutečně jedním z nejdůležitějších faktorů prodejnosti všech produktů. Důkazem je bleskově rostoucí ekonomika Číny, jejíž továrny produkují nejlevnější zboží do celého Světa. Technický vývoj je dnes na takové úrovni, že vzájemně konkurenční produkty jsou často trvale na téže úrovni. Potom se zákazník rozhoduje podle ceny případně osobních preferencí.

Mé snažení o snížení nákladů na výrobu celého vozidla spočívá především v těchto bodech:

· Použití sériových dílů – přímo rám ze sériových součástí nevyrobíme, ale je důležité přizpůsobit jej na co nejširší uplatnění běžně dostupných součástí. Jedná se například o ložiska, šrouby, cyklistické komponenty. · Použití normovaných profilů – u vybraných dodavatelů jsem kontroloval, které rozměry a materiály profilů jsou skladem. Naskladnění jiných profilů obvykle vyžaduje objednávku nad několik set kilo. · Využívání co nejméně druhů polotovarů – polotovary jsou dodávány v určitých rozměrech. Pro různé díly vozidla použiji ale obvykle jen malou část z dodávaného polotovaru. Omezením zbytkového množství materiálu se cena pochopitelně sníží. · Co nejméně obráběcích a tvářecích operací – nejen že obrobením odebraný materiál je dále nepoužitelný a byl tedy nakoupen zbytečně, ale hlavně je nákladné každé zpracování polotovaru. · Co nejlevnější obráběcí a tvářecí operace – podle složitosti vyráběného dílu se určí vhodná operace pro úpravu polotovaru. Existují výrobní operace drahé i levnější. Cena se obvykle odvíjí od nákladů na pořízení výrobního stroje a pracovní doby, nutné na vytvoření výrobku. Z dražších operací je třeba frézování. Levnější alternativou u jistých druhů součástí je obrábění vodním paprskem nebo laserem. Tyto metody mají nižší náklady právě kvůli své svižnosti. V kombinaci se svařováním, další relativně levnou metodou, lze vyrobit i komplikované součásti. Svařování sice při precizním provedení trvá delší dobu, ale zase je uskutečnitelné s daleko méně nákladným zařízením.

Design Již byla řeč o vlivu ceny na popularitu produktu. Zatímco cena může být až posledním kritériem, i když zásadním, obdobně důležitým pro úspěšnost produktu bývá jeho design.

Brno 2011 65

Jednotlivé konstrukční prvky

V mnoha případech je design prvním impulsem k tomu, aby si potencionální uživatel výrobku vůbec všiml. Pokud je výrobek vzhledově nezajímavý, neupoutá dostatek pozornosti a pak na další rozhodování ani nemůže dojít.

Za velmi vystihující můj přístup k návrhu rámu považuji citát amerického architekta a vynálezce Richarda Buckminstera Fullera. V originále: When I am working on a problem, I never think about beauty. I think only of how to solve the problem. But when I have finished, if the solution is not beautiful, I know it is wrong. Volně přeloženo: Pracuji-li na nějakém problému, nikdy nepřemýšlím nad krásou. Zabývám se pouze tím, jak problém vyřešit. Když jsem ale hotov, a vidím, že řešení není krásné, pak vím, že je špatné.

8.5.2 Možné varianty rámu

Většina technických problémů má několik řešení. Mohou se od sebe vzájemně lišit hodně nebo jen málo. Já se při návrhu rámu spokojil s jedním konečným řešením, které jako první bezezbytku splňovalo všechny požadavky na rám i vozidlo kladené. K takovému řešení jsem se ovšem propracoval až po několika více čí méně uspokojivých variantách.

Varianta I Zpočátku jsem zamýšlel navrhnout vozidlo s oběma koly o velikosti 26“ kvůli menšímu valivému odporu a lepšímu tlumení nerovností. Jak vidno z Obr. 36, sedačka by v takovém případě byla umístěna poměrně vysoko nad zemí, což byl hlavní důvod pro opuštění této koncepce.

Obr. 36 Rám vozidla - varianta I

Brno 2011 66

Jednotlivé konstrukční prvky

V přední části rámu byla klasická pojezdová trubka, na niž byly přivařeny ohýbané trubky o menším průměru (nahoře 2 paralelně, dole jedna – Obr. 37), jež tvořily z profilu stavbu podobnou vzpřímeným bicyklům. Účelem byla snaha o navýšení tuhosti rámu. Podobná konstrukce by ale byla příliš náročná na výrobu, proto jsem ji také dále nerozvíjel.

Obr. 37 Detail rámu - varianta I

Varianta II Tento návrh je již s malým 20“ kolem a na rozdíl od toho prvního velmi jednoduchý na výrobu. Rám je tvořen jednou trubkou, která je dvakrát ohnutá, ale ohnutí na konci by mohlo být klidně zamítnuté. Zamýšleno bylo pro montáž nosiče zavazadel. Na tuto trubku jsou navařeny trubky zadní vidlice a další části pro upevnění dílů pohonu, řízení, sedačky či vidlice. Nevýhodou, která zapříčinila posun k další variantě návrhu rámu, je nevhodné umístění středové hřídele. Kvůli ozubeným pastorkům na hřídeli by musel být sedák sedačky usazen výše, což by vedlo k působení na kluzák při veslování pod nevhodným úhlem. Nepříjemnosti by mohla způsobit i přílišná blízkost uložení středové hřídele a uložení řízení. Vyloučené by bylo použití přední odpružené vidlice.

Obr. 38 Rám vozidla - varianta II

Brno 2011 67

Jednotlivé konstrukční prvky

Varianta III Evolucí předchozí varianty vznikl tento návrh rámu. Tvar hlavní rámové trubky je o něco složitější, což zkomplikuje i obrábění otvorů pro přivaření držáků a hlavových trubek. Vyřešena je ale otázka ergonomie. Středová hřídel je na držácích uložena dále od hlavní rámové trubky, což přineslo více prostoru pro řízení. Z designových důvodů jsou zakřiveny trubky zadní stavby.

Obr. 39 Rám vozidla - varianta III

Stejně jako je možné si všimnout u varianty II, i zde je vyobrazeno řízení v jiné podobě, než jaká byla nakonec přijata. Pohon pažemi se u tohoto systému nemění, řízení se ale provádí otáčením řídítek kolem jiné osy. Tato osa prochází otvory v plechových výpalcích (Obr. 40), navařených kolmo na zadní skloněnou část hlavní rámové trubky. Výhodou tohoto řešení je, že v nižších polohách řídítek, ve kterých předpokládám, že bude jezdec vozidlo ovládat nejčastěji, není tolik omezen rozsah zatáčení jezdcovým tělem, protože řídítka se naklápí jakoby přes něj. Jednodušší je také zajištění vzájemné nezávislosti řízení a ručního pohonu. Značně složitý je na druhou stranu převod rotace kolem osy řízení na osu uložení vidlice při zatáčení. Mechanismus, který by toto zabezpečil, jsem sice navrhl, ale dle mého úsudku by řízení jeho prostřednictvím nebylo dosti bezprostřední.

Obr. 40 Detail rámu - alternativní řízení

Brno 2011 68

Jednotlivé konstrukční prvky

V tomto stádiu návrhu jsem ještě zkoumal uložení volnoběžky ručního pohonu na středové hřídeli po levé straně rámu vedle volnoběžné řemenice, proto je trubka pro uložení středové hřídele celistvá.

Varianta IV Tento návrh je již finální a odpovídá všem nárokům na něj kladeným. Oproti variantě III se liší dělenou trubkou pro uložení středové hřídele a způsobem řízení, s čímž souvisí provedení uložení řízení.

Rám je charakterizován různými údaji a mírami. Dle použitého modelovacího softwaru má rám při použití slitiny hliníku EN-AW 6082 hmotnost 3215 gramů. Jedná se ale o údaj, který nezahrnuje hmotnost svarů, ty nebyly namodelovány. Sklon hlavové trubky vidlice je 65 stupňů. Při použití vidlice, u níž osa náboje protíná osu sloupku (obvykle bývá osa náboje posunuta o několik milimetrů vpřed) je rozvor předního a zadního kola roven 1200 milimetrů. Délka rámu (vzdálenost od osy zadního kola až ke špičce pojezdové trubky) je 2080 milimetrů. Délka vozidla je větší o velikost poloměru zadního kola. Výška rámu (bez sedačky) je 546 milimetrů. Na šířku mají největší rozměr úchyty sedačky se svými 180 milimetry.

Obr. 41 Rám vozidla - konečná varianta

8.5.3 Materiál rámu

Rám je svařen z polotovarů z materiálu EN-AW 6082. Jedná se o slitinu, nahrazující v cyklistickém průmyslu často používanou slitinu EN-AW 6061. Předpokládám tepelnou úpravu svařeného rámu na stav T6, což obnáší zahřátí na popouštěcí teplotu, ochlazení a umělé stárnutí dle předepsaného postupu. Mez kluzu upraveného materiálu Rp0,2 je minimálně 250 MPa.

Brno 2011 69

Provozní vlastnosti vozidla

9 Provozní vlastnosti vozidla

Rozhodujícím faktorem o smysluplnosti tohoto projektu je skutečný pocit z jízdy, který jezdec na navrhovaném vozidle vnímá. Svezení má být jednoduše příjemné bez jakéhokoliv nenadálého rušivého projevu i přes složitost pohonné a řídící soustavy. Pokud probíhá jízda v klidu a uvolněně a jezdec je schopen vozidlo jak hnát tak řídit naprosto intuitivně a bez problémů může vnímat podněty ze svého okolí a reagovat na ně, pak je vše v pořádku. V takovém případě je návrh podařený.

Momentálně je ale vozidlo pouze ve virtuální podobě a celkový reálný projev nelze s určitostí odhadnout. Na vozidle, respektive jeho návrhu, je uplatněno několik nových řešení, která buď zatím nebyla vyzkoušena vůbec, nebo jsem s nimi zatím neměl osobní zkušenost, abych je mohl odpovědně posoudit. Návrh jsem sice provedl s opravdovým důrazem na uživatelskou praktičnost, ale stejně jako u všech dalších průmyslových produktů i v tomto případě musí konečný verdikt vzejít z praktického testu. Tím spíše, jedná-li se o produkt, který je určen k přímému kontaktu s člověkem.

Vozidlo má ale i jisté vlastnosti, které lze teoreticky posoudit ze vztahu k obecně známým skutečnostem již v tomto stádiu. Jedná se spíše o schopnosti vozidla, jež tedy přímo pocit z jízdy neovlivňují, ale v případě, že by tyto nebyly dostačující, nemělo by ani smysl na bicykl nasedat.

9.1 Převody vozidla

Již jsem se krátce zmínil o převodu řemenovém, řetězovém i převodu ručního pohonu, ale nebyla řeč o jejich společném významu pro jízdu vozidla.

9.1.1 Pohon nohami

Převod mezi klikami a zadním kolem je dán velikostí 4 převodových kol. Jedná se o řemenici hnací, uloženou na klikách (označme ji jako pozici A), řemenici hnanou na středové hřídeli (pozice B), dále pak ozubený převodník na středové hřídeli (pozice C) a konečně pastorek na zadním náboji (pozice D). Vozidlo je vybaveno širokým spektrem různých převodů, jak je v současnosti již zavedeným standardem. Změna převodového stupně se provádí přeřazením mezi převodníky na pozici C nebo mezi pastorky na pozici D.

Brno 2011 70

Provozní vlastnosti vozidla

Velikosti převodových kol Při návrhu převodového ústrojí jsem vycházel ze základních požadavků:

· použití běžné kazety na zadním náboji, · celkový rozsah převodů pro šlapání od nejlehčího převodu horského kola po nejtěžší převod kola silničního, · ujetá vzdálenost na jeden záběr nohami podobná jako u Rowingbiku, · co nejmenší převodníky na pozici C.

Kazetu jsem vybral podle co největšího rozsahu počtu zubů. Jedná se o 9-ti rychlostní MTB kazetu s nejmenším pastorkem o 11 zubech a největším o 34 zubech. Větší rozsah má už jen kazeta 11-36, ale ta není úplně snadno dostupná. Nejlehčí převod horského kola je tvořen převodníkem o 22 zubech a pastorkem o 34 zubech. Převodový poměr je tedy roven 22/34=0,65. Nejtěžší převod silničního kola je roven 53/11=4,82. Jelikož s veslovacím bicyklem nemám dosud žádné zkušenosti, je obtížné pro tento pohon odhadovat vhodné převodové poměry. Nakonec jsem se rozhodl vycházet z údajů o veslovacím bicyklu, jemuž je svojí koncepcí veslovací pohon navrhovaného HPV nejblíže - Rowingbiku. Vzdálenosti ujeté na Rowingbiku na jeden záběr se liší podle použitého „Sneku“. Se „Snekem“ o největším průměru 178 mm je minimální vzdálenost uražená na jeden celý záběr 2,45 metrů a nejdelší vzdálenost 9,27 metrů. Při použití „Sneku“ o největším průměru 220 mm je rozsah ujetých vzdáleností od 1,96 metru do 9,27 metrů. Požadavek na minimální průměry převodníků vzešel z designových nároků, ze způsobu upevnění na hřídeli, z prostorového hlediska.

Výsledným řešením, které uspokojí všechny požadavky je sestava převodových kol dle Tab. 1.

Tab. 1 Převodová kola

Pozice Počet zubů A 56 B 36 C 14; 22; 34 D 34; 30; 26; 23; 20; 17; 15; 13; 11

Pro šlapání i veslování máme k dispozici 27 převodových stupňů, ale prakticky se používají jen některé. Aby nedocházelo k přílišnému křížení řetězu, tedy natáčení kolem os kolmých na čep článku řetězu, doporučuje se používat ke každému přednímu převodníku jen asi 5 nejbližších pastorků zadní kazety, viz Tab. 2.

Tab. 2 Převody šlapání se zvýrazněnými doporučenými stupni

Převodníky Pastorky (z) (z) 11 13 15 17 20 23 26 30 34 34 4,81 4,07 3,53 3,11 2,64 2,30 2,03 1,76 1,56 22 3,11 2,63 2,28 2,01 1,71 1,49 1,32 1,14 1,01 14 1,98 1,68 1,45 1,28 1,09 0,95 0,84 0,73 0,64

Brno 2011 71

Provozní vlastnosti vozidla

Pohony šlapáním a veslováním nejsou moc dobře vzájemně porovnatelné z hlediska převodů. Pro zajímavost ale můžeme srovnat ujetou vzdálenost na jedno otočení klik při šlapání (Tab. 3) se vzdáleností, kterou vozidlo ujede na jeden záběr nohami při veslování (Tab. 4).

Tab. 3 Ujeté metry - šlapání Tab. 4 Ujeté metry - veslování

Vzdálenost/otáčka klik (m) Vzdálenost/záběr nohami (m) Pastorky Převodníky (z) Pastorky Převodníky (z) (z) 34 22 14 (z) 34 22 14 11 9,96 6,45 4,10 11 15,67 10,14 6,45 13 8,43 5,46 3,47 13 13,26 8,58 5,46 15 7,31 4,73 3,01 15 11,49 7,43 4,73 17 6,45 4,17 2,65 17 10,14 6,56 4,17 20 5,48 3,55 2,26 20 8,62 5,58 3,55 23 4,77 3,08 1,96 23 7,49 4,85 3,09 26 4,22 2,73 1,74 26 6,63 4,29 2,73 30 3,65 2,36 1,50 30 5,74 3,72 2,37 34 3,22 2,09 1,33 34 5,07 3,28 2,09

Grafické znázornění pouze doporučených převodových stupňů ukazuje přijatelné rozložení převodů v celém spektru.

Graf 1 Rozložení doporučených převodových stupňů

16

14

12

10 šlapání 8 veslování 6

4

2

0

Brno 2011 72

Provozní vlastnosti vozidla

9.1.2 Pohon pažemi

Ruční pohon je napojen na středovou hřídel, takže má stejně jako nožní pohon 27 rychlostních stupňů, poskytovaných řetězovým převodem. Kromě toho je ale možné na ručním pohonu nastavit poměr kroutícího momentu dodávaného na středovou hřídel vzhledem k nožnímu pohonu. Jedním ze způsobů je posunutí řídítek v představcích aby se místo úchopu rukou za řídítka buď vzdálilo, nebo přiblížilo hřídeli ručního pohonu. Předpokládám ale, že si každý jezdec nastaví řídítka především podle toho, jak mu to bude pohodlné. Proto je možný i další způsob nastavení. Provádí se úpravou vzdálenosti montážního bodu táhla ručního pohonu na příslušné volnoběžce od osy středové hřídele. Rozsah nastavení této vzdálenosti je od 45 do 75 milimetrů. Kromě toho má na výsledný kroutící moment, působící na středovou hřídel, vliv i vzdálenost upevňovacího bodu táhla ručního pohonu od hřídele ručního pohonu. Ta je dána velikostí zobáčku a pak také vzdáleností od středu kuličky prvního kloubového oka, namontovaného přímo na zobáček, ke středu kuličky druhého kloubového oka, namontovaného právě na oko první. Tyto dvě vzdálenosti ale nejsou vždy kolineární, jelikož se oko na zobáčku při záběru naklápí. Z té příčiny je rameno, na kterém způsobuje kroutící moment z hřídele ručního pohonu sílu v táhlu, během záběru proměnné.

Dráhové srovnání Porovnání s nožními pohony můžeme provést ve dvou rovinách. V silové, kde jde právě o vyvíjené kroutící momenty nebo ve dráhové, kde můžeme srovnat vzdálenosti, které vozidlo ujede na určitý charakteristický hnací úkon bez uvažování setrvačných sil. U šlapání je tímto úkonem jedna otáčka klik, u veslování jedna délka záběru a u ručního pohonu se nabízí záběr za řídítka o určitý úhel. Pohon pažemi byl navrhován na 90-ti stupňový záběr, proto jej berme jako charakteristický pro srovnávání, i když je teoreticky možný i větší. V tabulkách Tab. 5 a Tab. 6 jsou dráhy, které vozidlo ujede na jeden záběr za řídítka při nastavení vzdálenosti upevnění táhla na volnoběžce od osy středové hřídele na minimální (45 mm) a maximální hodnotu (75 mm). Je vidět, že oproti nožním pohonům je ruční pohon v tomto směru o mnoho méně přínosný. Toto porovnání je ale závislé na trvání charakteristického pohybu, který si vybereme, takže není příliš vypovídající. Vybrali-li bychom u šlapání také pouze čtvrt-otáčku klik, pak by situace byla hned výrazně odlišná. Na druhou stranu při veslování si jen těžko představíme jiné skloubení hnacích pohybů, než paralelní záběr nohama a rukama tak, jak je srovnáváme.

Brno 2011 73

Provozní vlastnosti vozidla

Tab. 5 Ujeté metry ručním pohonem – 75mm Tab. 6 Ujeté metry ručním pohonem – 45 mm

Vzdálenost/90° záběr pažemi-75 mm Vzdálenost/90° záběr pažemi-45 mm (m) (m) Pastorky Převodníky (z) Pastorky Převodníky (z) (z) 34 22 14 (z) 34 22 14 11 1,95 1,26 0,80 11 1,14 0,74 0,47 13 1,65 1,07 0,68 13 0,97 0,63 0,40 15 1,43 0,92 0,59 15 0,84 0,54 0,35 17 1,26 0,82 0,52 17 0,74 0,48 0,30 20 1,07 0,69 0,44 20 0,63 0,41 0,26 23 0,93 0,60 0,38 23 0,55 0,35 0,23 26 0,82 0,53 0,34 26 0,48 0,31 0,20 30 0,71 0,46 0,29 30 0,42 0,27 0,17 34 0,63 0,41 0,26 34 0,37 0,24 0,15

Silové srovnání Zjednodušení I. :

Určení silových charakteristik ručního pohonu není kvůli proměnnému ramenu mezi táhlem a hřídelí ručního pohonu úplně jednoduché. Proto přistoupím ke zjednodušení a velikost ramena budu uvažovat jako konstantní v průběhu celého záběru a rovnu jeho největší hodnotě. Při velikosti zobáčku 60 mm a vzdálenosti kuliček na sebe nasazených kloubových ok 17 mm je největší velikost ramene rovna 77 milimetrům. Síla na řídítka, která je zapotřebí k vyvinutí určitého momentu na hnaném kole, je přímo úměrná velikosti tohoto ramene, proto bude v praxi největší v případě, kdy zobáček a dřík na zobáček upevněného kloubového oka budou v kolineární poloze. V každém jiném případě bude menší. Zmiňovaná poloha nastane po asi 30 stupních záběru za řídítka.

Zjednodušení II. :

Je nutné také poznamenat, že veškerá síla vyvinutá pažemi se na středovou hřídel přenese pouze v případě, kdy jsou ramena mezi táhlem pohonu a hřídelí ručního pohonu a táhlem pohonu a středovou hřídelí kolmá na táhlo pohonu. Tento stav však v praxi nenastane nikdy. Nejbližší konfigurace je přibližně při záběru o asi 30 stupňů za řídítka. V tomto stavu je tedy téměř 100 procent sil využito k pohonu, čímž se z části kompenzuje nutnost záběru větší silou z důvodu delšího ramene mezi táhlem pohonu a hřídelí řízení právě při záběru o 30 stupňů. Opět přistoupím ke zjednodušení a pro porovnání ručního pohonu s nožními budu předpokládat, že v celé šíři záběru je veškerá síla od paží bez jakýchkoliv ztrát využita k pohonu vozidla.

Ruční pohon je oproti těm nožním více zpřevodován „do lehka“. Je tak navržen kvůli menším silovým dispozicím horních končetin. Porovnání v Tab. 7 ukazuje kolik síly je potřeba vyvinout jednotlivými typy pohonů k vytvoření stejného kroutícího momentu na zadním kole při zařazeném témže převodu. Vezměme si například nejtěžší možný převod 34-11. Pro

Brno 2011 74

Provozní vlastnosti vozidla

úplnost je třeba zmínit, že u šlapání se jedná pouze o tlakovou sílu vyvíjenou jednou nohou, u veslování jde o sílu, kterou působí obě nohy dohromady a u ručního pohonu vzniká síla záběrem obou paží dohromady.

Tab. 7 Porovnání výkonů jednotlivých pohonů

Typ pohonu Nutná síla (N) Šlapání 1000,00 Veslování 2492,15 Pohon pažemi – 45 mm 641,67 Pohon pažemi – 75 mm 385,00 Moment na hnaném kole (Nm) 36,38

9.2 Poloměr otáčení

Řízení vozidla bylo navrženo tak, aby umožňovalo otáčení na běžných komunikacích (viz kapitola Pohon pažemi). Úhel zatočení vidlice je shodný s úhlem natočení řídítek. Technicky je minimální poloměr zatočení závislý na úhlu naklopení řídítek záběrem. Až do úhlu záběru 75 stupňů je ale dostatečně malý k otočení na silnici o 6-ti metrové šířce. Pro běžnou jízdu je dostatečný rejd k dispozici v celém spektru naklopení řídítek.

9.3 Stoupavost

Stoupavost vyjadřuje největší možný sklon vozovky, který je vozidlo schopné překonat konstantní rychlostí. Mezi odpory, které je nutné při jízdě do kopce překonat, se uvažují pouze odpor stoupání a valivý odpor kol. Předpokládá se malá rychlost a proto je vzdušný odpor zanedbatelný.

9.3.1 Těžiště soustavy

Pro výpočet stoupavosti je nejprve nutné určit polohu těžiště vozidla i s jezdcem. Poloha těžiště celé soustavy je vypočtena z poloh těžišť jednotlivých jednotek, jimiž jsou přední a zadní kolo, rám vozidla se zbývajícími částmi a jezdec samotný. Pro účel výpočtu stoupavosti můžu považovat soustavu za symetrickou podle podélné roviny a souřadnici v ose „z“ nepočítat a úlohu tak uvažovat jako rovinnou. Těžiště rámu i s většinou podstatných částí zjistím z 3D modelovacího programu. Dalšími částmi soustavy jsou přední a zadní kolo. Jejich těžiště jsou v osách nábojů. Těžiště jezdce bývá v pánevní oblasti, ale u jednotlivých lidí se liší, proto jeho polohu odhadnu.

Brno 2011 75

Provozní vlastnosti vozidla

Tab. 8 Parametry těžiště vozidla s jezdcem

Část soustavy Označení Hmotnost Poloha těžiště (m) i mi (kg) xi yi Rámová skupina Tv 15,000 0,288 0,607 Jezdec Tj 90,000 0,590 0,645 Přední kolo Tpk 0,965 0 0,254 Zadní kolo Tzk 1,275 1,200 0,330 Celek Tc 107,240 0,550 0,632

Obr. 42 Těžiště jednotlivých prvků soustavy

Výpočet těžiště se provádí dle vzorců:

(13)

(14)

Brno 2011 76

Provozní vlastnosti vozidla

9.3.2 Výpočet stoupavosti

Jelikož se stoupavost hodnotí za konstantní rychlosti, lze úlohu převést na statický model. Ten se pak řeší silovou rovnováhou.

Obr. 43 Reakce od podložky na tíhu soustavy

Brno 2011 77

Provozní vlastnosti vozidla

Vycházím z rovnice:

(15)

Po dělení G a následné úpravě:

(16)

G tíha jezdce a vozidla r poloměr kola

α úhel stoupání vozovky µ součinitel smykového tření statický

ξ rameno valivého odporu pneumatiky Ve vzorci (15) vyjadřuje druhý člen valivý odpor, působící na kola vozidla. V tomto případě je jeho výpočet zjednodušen uvažováním předního kola stejně velkého se zadním, a to 26“. Jelikož je ale tato složka řádově menší než ostatní, není chyba výpočtu nikterak zásadní.

Výsledný úhel maximálního stoupání vozidla je pro běžné komunikace naprosto dostačující, podle dopravního označování to znamená stoupavost 41%.

Brno 2011 78

Pevnostní kontrola rámu

10 Pevnostní kontrola rámu

10.1 Výpočtový software

Navrhnutý rám je ještě před jakýmkoliv výrobním procesem virtuálně zkontrolován deformačně-napěťovou analýzou. Jejími výstupy jsou rozložení napětí a hodnoty deformací na celé analyzované součásti, jež umožňují odhalení kritických míst nebo naopak objevit oblasti předimenzované. Jedná se o v současnosti naprosto běžný postup, který se využívá snad ve všech průmyslových odvětvích. Přínosy jsou hlavně v úspoře času a financí, které by jinak mohly být zbytečně vynaloženy na výrobu a testování prototypů. Nejčastěji jsou pro tyto účely používány FEA/FEM softwary. FEA je zkratka anglického „Finite Element Analysis“, což v překladu znamená „konečně-prvková analýza“. FEM (Finite Element Method, v překladu „metoda konečných prvků“) je vlastně jen pojmenování způsobu, kterým probíhá FEA, takže obě zkratky vystihují tytéž programy a jsou zaměnitelné. Metoda konečných prvků (MKP), o kterou se výpočetní programy opírají, je numerická metoda, spočívající ve zjednodušení spojitého problému na určitý (konečný) počet uzlů, v nichž je proveden výpočet. Zvětšením počtu uzlů se samozřejmě výsledky zpřesňují, ale zvětší se i náročnost výpočtu. Prvkem se rozumí rovinný troj- nebo čtyřúhelník, jehož vrcholy jsou právě zmíněné uzly. Dalším faktorem, ovlivňujícím přesnost analýzy je kvalita virtuálního modelu. Některé části modelu mohou být totiž příliš obtížné na vytvoření a tak bývají zjednodušovány. Jiné zase mohou být považovány za nepodstatné pro očekávané výsledky, tak se potlačí úplně. Je na vědomostech a zkušenostech konstruktéra, aby tato místa správně posoudil a podle toho s nimi naložil. Mimo průběhy napětí a deformací jsou FEA programy schopny simulovat i frekvenční závislosti, proudění tepla, proudění tekutin, elektromagnetické toky atd.

Základní struktura FEA programů je následující:

· příprava (pre-processing) – v těchto modulech se buď vytváří, nebo importuje model analyzované součásti, jenž je poté pokryt sítí prvků pro výpočet. Jsou také stanoveny zatěžující stavy a okrajové podmínky součásti. · řešení (solution) – probíhá vlastní výpočet napětí a deformací v jednotlivých uzlech. · vyhodnocení (post-processing) – obvykle grafickou formou jsou prezentovány výsledky výpočtu. Různé hladiny napětí na modelu jsou vyobrazeny barevným spektrem, deformace mohou být zobrazeny ve zmenšeném i zvětšeném měřítku.

Pevnostní kontrolu rámu provedu v programu I-DEAS 11 NX. Tento program je vhodný především pro analýzu skořepinových modelů. Skořepinou se rozumí těleso, které má jeden rozměr mnohokrát menší, než ostatní. Můžeme jimi chápat i hutní tenkostěnné profily, z nichž je rám navrhovaného vozidla svařen, což potvrzuje vhodnost zvoleného programu v tomto ohledu. Výpočtová síť prvků je vytvořena na střednicích jednotlivých profilů a každému prvku je přiřazena tloušťka (Obr. 44), ovšem pouze jako hodnota, nikoliv jako rozměr. Vizuálně pak tedy namodelovaná součást vypadá jako by byla z papíru. Výhodou takového modelu je daleko menší množství prvků a tedy nižší výpočtová náročnost.

Brno 2011 79

Pevnostní kontrola rámu

Obr. 44 Sítě prvků představující kruhovou trubku a plech

Výpočet proběhne podle lineárních statických podmínek. Nutné podmínky pro lineárnost úlohy jsou následující [27]:

– materiál těles je lineárně pružný, – deformace těles je malá, – složky tenzoru přetvoření jsou malé, – okrajové podmínky jsou lineární.

Do výpočtu nezahrnu žádné dynamické účinky, jako například od šlapání nebo jízdy po nerovném terénu, musí být ale zohledněny v koeficientu bezpečnosti. Rám bude zatížen pouze konstantními silami a momenty.

10.2 Výpočtový model

Rám vozidla je tvořen mnoha různými profily a částmi, které jsou na sebe přiloženy v různých pozicích a svařeny v jeden celek. Některé detaily modelu by byly zvoleným programem příliš obtížné k vytvoření přesně podle návrhu, takže jsem je musel zjednodušit. Mezi nejpodstatnější zjednodušení, ke kterému jsem přistoupil, patří náhrada svarů pouhým napojením uzlů. Důsledkem jsou ostré přechody mezi jednotlivými díly, v nichž může dojít až k nerealistickému nárůstu napětí. Taková místa je potřeba hodnotit s rezervou. Daleko méně podstatné pro výsledky výpočtů jsou nenamodelovaná rozhraní pro napojení některých komponent, jež rám až tolik nezatěžují, jako jsou brzda zadního kola, přední měnič převodů, zadní přehazovačka.

Model je tvořen méně než 20-ti tisíci prvky. Prvky různých profilů mají jiné barvy, aby byla snazší orientace a kontrola v modelu.

Brno 2011 80

Pevnostní kontrola rámu

Obr. 45 Výpočtová síť

Napojení zadních patek na čela trubek zadní stavby nebylo možné provést uspokojivě sdílenými uzly. Proto jsem příslušné svary nahradil prvky typu Constraint (v překladu vazba)- Obr. 46. Tyto prvky umožňují navázat na jeden uzel sítě několik prvků jiné sítě. Tuhosti rámu přispívá i sedačka, kterou jsem ale nemodeloval a pouze ji nahradil tuhými prvky Rigid mezi úchyty pro sedačku.

Obr. 46 Nahrazení svaru prvky Constraint

Brno 2011 81

Pevnostní kontrola rámu

Domečky pro uložení středové hřídele jsem taktéž propojil několika prvky Rigid (Obr. 47), v reálu totiž budou pevně spojeny právě středovou hřídelí.

Obr. 47 Nahrazení středové hřídele prvky Rigid

10.3 Okrajové podmínky

Modelu je potřeba omezit stupně volnosti, jinak by působící síly neměly reakce a celému rámu by pouze narůstalo zrychlení pohybu v prostoru do nekonečna. Výpočet by buď zkolaboval nebo bychom na modelu nezaznamenaly žádné projevy zatížení. Jedná se o prostorový model, takže musíme určit 6 okrajových podmínek – 3 pro omezení translačních pohybů a 3 omezující rotace. Okrajové podmínky by měly co nejvíce odpovídat skutečnosti.

y

z x

Obr. 48 Souřadný systém modelu rámu

Brno 2011 82

Pevnostní kontrola rámu

Zamezil jsem všem translacím a rotacím kolem os x a y v patkách pro uložení osy zadního kola. Rotace kolem osy pomyslného zadního kola (rovnoběžná s osou z) je volná stejně jako tomu je v reálu, ale je zamezeno otáčení rámu kolem osy z tím, že uzlům hlavové trubky pro uložení vidlice není dovolen pohyb podél osy y. Rozhodně se nejedná o stoprocentně věrohodné uložení. Oproti skutečnosti je až příliš tuhé. Výpočtový model totiž neuvažuje jistou poddajnost pneumatik, kol a přední vidlice. Výsledky tím budou ovlivněny, ale k horšímu, což je ještě přijatelné.

10.4 Způsob hodnocení výsledků

Výsledkem výpočtu je grafické znázornění průběhu napětí a vlastní deformace rámu. Napětí se může lišit na vnější a vnitřní straně profilu. Program poskytuje vyobrazení rozložení napětí zvlášť pro vnitřní nebo vnější stranu, takže je potřeba zkontrolovat vždy obě. Číselně jsou uvedeny pouze maximální a minimální hodnoty jak napětí, tak i deformace. Konkrétní napětí určitého místa je nutné rozpoznat podle barevné stupnice. V editoru je možné nastavit zvýraznění pouze některých hladin napětí, aby bylo snazší je určit. Deformační posunutí konkrétních částí rámu lze ještě hůře odhadnout. Jediná možnost je porovnání s místem, kde je rám deformován nejvíce.

10.5 Zatěžovací stavy

Existuje nepřeberné množství jízdních i nejízdních okolností, kterými může být rám vozidla namáhán. Některé jsou extrémní a mohou vycházet z nesprávného užívání vozidla, jiné jsou zase už pouhým zamyšlením rozpoznatelné jako nepodstatné. Takové stavy je zbytečné kontrolovat deformačně-napěťovou analýzou. Stále ale zbývá mnoho stavů, jež přímo souvisí s účelem vozidla a které zanedbatelné nejsou. Kontrolovat odolnost rámu ve všech takových situacích by ale bylo zbytečné a nejspíš i nemožné. Jelikož je cílem kontroly zjištění kritických míst na rámu, pak postačí zabývat se pouze vybranými stavy, jež by podle logické úvahy měly mít na odolnost rámu nejhorší vliv.

10.5.1 Aplikace sil na model

Věrohodnost výpočtu je mimo jiné ovlivněna i způsoby, kterými jsou zatěžující silové veličiny aplikovány na výpočtový model. Opět by měl být kladen důraz na co největší podobnost s realitou. Některé reálné vazby jsou ale tak složitě napodobitelné, že je lepší je zjednodušit s vědomím o důsledcích na výsledku výpočtu.

Brno 2011 83

Pevnostní kontrola rámu

Síly a momenty se na modelu umísťují do uzlů. Pro vybrané zatěžující stavy potřebuji silové účinky zavést na rámovou pojezdovou trubku pod kluzák, na držák vodící řemenice horní větve řemenu, uložení středové hřídele, držáky sedačky, uložení řízení. Na držák vodící řemenice dolní větve řemenu a drážku pro napínací řemenici působí pouze malé síly od napnutí řemenu.

Pozice pro aplikaci sil na uzly rámu jsem připravil následovně:

U každého držáku sedačky jsem spojil prvkem Constraint všechny krajní uzly, kde dochází k třecímu dotyku se sedačkou, s uzlem vytvořeným ve středu držáku (Obr. 50). Tento uzel zatížím příslušnou silou.

Obr. 50 Zatěžovací uzel držáku sedačky

Síly na rám pod kluzákem aplikuji podobným způsobem. Zatěžovaný uzel, vytvořený na střednici kruhové pojezdové trubky je spojen s uzly rámu, které jsou v místech, kde budou svěrníky obepínat rám (Obr. 49). Tuto vazbu jsem výrazně zjednodušil. Při šlapání vznikne na těle kluzáku moment, který zapříčiní, že přední svěrníky budou na rám působit více z horní strany, kdežto zadní svěrníky více z dolní. Tentýž uzel využiji i pro umístění sil od veslování, při kterém ale ve skutečnosti působí horní 4 šikmé kladky na rám pouze v místech dotyků s rámem. Jak ukáží výsledky výpočtů, místo této vazby není ani zdaleka kritickým, proto není důvod uvedené zjednodušení neakceptovat. Polohu kluzáku uvažuji více v přední části rámu, protože tam někde bude upevněn při šlapání. Při veslování je jezdec schopen vyvinout tím větší síly, čím více má natažené nohy a tedy kluzák dále od těla.

Obr. 49 Zatěžovací uzel pod kluzákem

Brno 2011 84

Pevnostní kontrola rámu

Na řemenici pro vedení horní větve řemene působí síly od hnaného řemene. Zatěžovaný uzel (Obr. 51) jsem umístil na osu držáku řemenice do roviny středu řemene a spojil s uzly na okraji držáku.

Obr. 51 Zatěžovaný uzel horního držáku vodící řemenice

Uložení středové hřídele budu zatěžovat ve dvou uzlech. Jeden uzel je na ose středové hřídele vprostřed mezi domečky uložení. Tento je přes Constrainty napojen na uzly obou domečků ložisek a bude na rám vnášet síly od ručního pohonu a reakce řetězového převodu. Druhý uzel je vytvořen po levé straně rámu na průsečíku roviny středu řemene a osy středové hřídele. Na něj budou umístěny síly řemenového převodu. Jelikož jsou oba domečky propojeny prvky Rigid, pak postačuje, že je druhý uzel napojen pouze na jemu bližší domeček (Obr. 52). Zjednodušení je zřejmé. Hřídel na ložiska, resp. jejich uložení, za žádných okolností nemůže působit tahem, což vazba na modelu umožňuje.

Obr. 52 Zatěžovací uzly uložení středové hřídele

Brno 2011 85

Pevnostní kontrola rámu

Sílové účinky na uložení ručního pohonu aplikuji na uzel, vytvořený ve středu hlavové trubky řízení a propojený se všemi krajními uzly této trubky (Obr. 53). Zde je opět vazba zjednodušená. Síly, působící ve směru osy trubky uložení ve skutečnosti nemohou nijak působit na horní hranu trubky, ale tato vazba to umožňuje.

Obr. 53 Zatěžovací uzel hlavové trubky řízení

10.5.2 Hmotnost jezdce

Podle [28] váží 95 % amerických mužů do 98,5 kilogramů. Sice je známo, že Američané mají obecně mohutnější postavy s celosvětovým průměrem, ale jelikož vozidlo není určeno pouze osobám s průměrnými parametry, pak je vhodnější provést kontrolu pro spíše těžšího jezdce. Pro snazší zacházení s čísly budu uvažovat hmotnost jezdce zaokrouhlenu na 100 kilogramů.

Na rám se hmotnost jezdce v podstatě přenáší prostřednictvím dvou úchytů sedačky a kluzáku. Rozdělení hmotnosti mezi horní držák sedačky, dolní držák sedačky a kluzák závisí hodně na fyzické konstituci každého jedince a také jeho poloze na vozidle. Nepředpokládám ale, že by pouhé zatížení hmotností jezdce mělo v rámu vyvolat nebezpečné napětí, proto připustím jen přibližné hodnoty. Podle jednoduchého měření jsem dospěl k rozložení hmotnosti jezdce 10% na kluzák, 60% na dolní úchyt sedačky a 30% na horní úchyt sedačky.

Výsledky: Na rámu je dle výpočtu maximální napětí 148 MPa. Jedná se ovšem o špičky, které vznikly kvůli zjednodušení modelu. Neúměrně vysoké hodnoty napětí se vyskytují na ostrých hranách modelu, jako v místech spojů profilů, kde jsou zjednodušené svary, nebo kolem uzlů, v nichž je uchycen tuhý prvek Rigid. Špičky napětí jsou na grafickém znázornění výsledků do jisté míry určitelné. Pokud se změnou zobrazované hladiny napětí nesouvisí odpovídající změna velikosti plochy právě zobrazovaného místa (Obr. 54), pak se jedná o nereálné napětí.

Brno 2011 86

Pevnostní kontrola rámu

148 MPa 70 MPa 35 MPa 25 MPa Obr. 54 Projevy prvku Rigid na držáku sedačky

Pomineme-li tedy napěťové špičky, pak největší napětí, které lze považovat za důvěryhodné, se pohybuje pod 50 MPa (Obr. 55). Pod spodním držákem sedačky na hlavní rámové trubce je napětí asi 48 MPa. Ačkoliv toto napětí nevychází přímo z hranice mezi držákem a rámovou trubkou, i přesto bude ve skutečnosti nižší kvůli vyztužení koutovým svarem. Další podobně namáhané místo je kolem hrany mezi hlavovou trubkou řízení a rámovou trubkou. I zde ovšem bude skutečnost o mnoho příznivější, jelikož svar, který obě trubky spojí, jednak zaoblí hranu a také celou oblast zpevní.

Obr. 55 Hmotnost - průběh napětí na střední části rámu

Celkově je ale vzniklé napětí daleko od meze kluzu materiálu. Koeficient bezpečnosti je 5, což postačuje i pro absorbování dynamických účinků těla jezdce na rám při překonávání nerovností jízdního povrchu. Deformace jsou nepostřehnutelné, maximální hodnota je necelý milimetr

.

Brno 2011 87

Pevnostní kontrola rámu

10.5.3 Veslování

Síly, které je člověk schopen vyvinout záběrem snožmo mohou být enormně velké. Pohyb při veslování je do jisté míry podobný s cvikem dřep. Z úplného podřepu je téměř každý člověk schopen zvednout minimálně svoji váhu. Někteří jedinci ale zvládnou třeba až 3 krát tolik, což může znamenat sílu vyvíjenou nohami na podložku i přes 5000 N.

Limit sil, kterými je možné pohánět vozidlo veslováním, je samozřejmě dán přilnavostí hnaného kola k povrchu. Při uvažování jízdy po rovině a čistém asfaltu s koeficientem smykového tření mezi gumou pláště a asfaltem 0,55 jsou maximální síly pro jednotlivé převodové stupně uvedeny v tab. 9.

Tab. 9 Limitní síly pro veslování po rovině

Limitní síla (N) Pastorky Převodníky (z) (z) 34 22 14 11 3350,55 2168,00 1379,64 13 2835,08 1834,46 1167,38 15 2457,07 1589,87 1011,73 17 2168,00 1402,82 892,71 20 1842,80 1192,40 758,80 23 1602,43 1036,87 659,83 26 1417,54 917,23 583,69 30 1228,53 794,93 505,87 34 1084,00 701,41 446,35

Není účelné na vozidlo aplikovat síly podle rekordních tabulek ve zvedání závaží. Jízda na HPV není o jednorázovém podání výkonu jako třeba vzpírání, je nutné si síly rozvrhnout na celou cestu. Pro kontrolu rámu tedy uvažuji sílu, kterou působí nohy jezdce na pedály ve vodorovném směru, o velikosti 1500 N. Na rám pod kluzákem se pochopitelně přenese pouze složka této síly, která je kolmá na pojezdovou trubku v podélné rovině vozidla. Další projevy síly, působící na kluzák, jsou od řemenu na uložení horní vodící řemenice a uložení středové hřídele. Od řetězového převodu potom také vznikají silové účinky na uložení středové hřídele. K záběru nohami se musí jezdec zapřít o sedačku, tudíž na ni také působí síla o velikosti 1500 Newtonů. Protože je jezdec zapřen zády, tak horní úchyt sedačky přenáší více zatížení, než dolní. Konkrétní poměr jsem odhadl na 2:1. Samozřejmě uvažuji se zatížením od veslování současně také zatížení hmotností jezdce.

Brno 2011 88

Pevnostní kontrola rámu

Výsledky: Opět se vyskytly na modelu špičky napětí. Jejich hodnoty se blíží až k 1800 MPa a nejvýraznější jsou tentokrát v okolí Rigid prvků na držácích ložisek středové hřídele. Smysluplnější hodnoty se pohybují až kolem hranice 200 MPa, ale i tyto jsou dány zjednodušením modelu (Obr. 56). Jedná se o hranu mezi hlavovou trubkou řízení a rámovou trubkou, hranu mezi dolním držákem sedačky a rámovou trubkou a také hranu vyztužujícího U-profilu u hlavové trubky vidlice. Všechny tyto hrany budou ve skutečnosti zaobleny svarem. U posledních dvou zmiňovaných oblastí nedochází ani k nikterak výraznému šíření napětí, takže svarem pravděpodobně bude jejich nebezpečnost značně minimalizována. Svary kolem hlavové trubky řízení raději navrhnu mohutnější, aby došlo k většímu zpevnění v této oblasti.

Obr. 56 Veslování - průběh napětí a deformací (5krát zvětšené), černě nedeformovaný rám

Obr. 57 Veslování - největší napětí mimo hrany modelu Napětí asi 130 MPa je v nejnamáhanějších oblastech mimo hrany modelu (Obr. 57). Jsou to místa na horní a dolní straně hlavní rámové trubky v ohybu pod sedákem sedačky. Napětí vzniká v důsledku narovnávání trubky zatěžovacími silami. Nejvíce se deformací rámu posune přední část pojezdové trubky, a to maximálně o 14 mm.

Brno 2011 89

Pevnostní kontrola rámu

10.5.4 Šlapání

Podle [29] je člověk schopen vyvinout na klikách vzpřímeného bicyklu kroutící moment až 291 Nm, což je hodnota srovnatelná s moderním přeplňovaným vznětovým motorem o objemu 2 litry. Jedná se ovšem o výsledky měření v laboratorních podmínkách po dobu pouhých 6 sekund a profesionálního sportovce. Při běžné ani sportovní jízdě se takových hodnot zdaleka nedosahuje. Na lehokole navíc jezdec nemůže využít vlastní hmotnost pro působení na pedály, tudíž výsledný kroutící moment může být ještě nižší.

Moment je na osu klik vyvinut tlakem na jeden pedál a tahem za pedál druhý při použití nášlapných bot. Síla od tahající nohy je vždy menší než síla od tlačící nohy. Pro výpočet budu uvažovat ale pouze působení tlačením, jelikož se jedná o nebezpečnější stav pro pevnost rámu. Velikost aplikované síly ale zohledňuje i příspěvek k pohonu od tahající nohy. Na pomyslný levý pedál vložím sílu 1000 N ve vodorovném směru, což na ose představuje moment 175 Nm. Stejně jako u veslování se prostřednictvím převodů projeví silové působení i na držáku horní vodící řemenice a uložení středové hřídele. Stejně tak je potřeba se zapřít o sedačku pro zabrání do pedálu, takže je opět horní držák namáhán dvěma třetinami a dolní jednou třetinou zatěžující síly. Pochopitelně je uvažována i hmotnost jezdce.

Výsledky: Zatížení šlapáním je i přes nižší sílu, působící na pedál obdobně nebezpečné jako veslování. Kvůli převodu se síla z pedálu na řemen více než zdvojnásobí. Navíc tím, že působí tlak na pedál pouze na jedné straně rámu, vzniká moment, který rám ohýbá příčně. Špičky napětí se očekávatelně objevily na držácích ložisek středové hřídele, stejně jako u veslování.

Při pominutí evidentních špiček je napětí na výpočtovém modelu znovu největší kolem hlavové trubky řízení, kde dosahuje hodnoty asi 210 MPa. Rozložení je mírně odlišné od veslování. Dalším místem se srovnatelně vysokým napětím je napojení pravé dolní trubky zadní stavby na hlavní rámovou trubku (Obr. 58). Toto napětí se objevilo z důvodu natáčení rámu doprava vzniklým momentem od záběru levou nohou, k němuž se ještě přidal moment ve stejném směru od sil, působících na uložení středové hřídele. Při záběru pravou nohou bude napětí na levé dolní trubce stavby rozhodně nižší. Tím, že je trubka stavby napojená na rámovou trubku téměř kolmo, projevil se rozdíl v tuhostech a trubka stavby je do trubky rámu na malé ploše zamačkávána. Po svaření bude ale styčný povrch daleko větší, takže napětí v tomto místě se znatelně poníží.

Brno 2011 90

Pevnostní kontrola rámu

Obr. 58 Šlapání - napětí kolem hlavové trubky řízení

Napětí kolem 200 MPa je mezi špičkou levého plechového držáku středové hřídele a rámem (Obr. 59). Předpokládám, že napětí ve spoji se poníží svarem, ale o málo menší napětí, pokračující na hraně držáku svar příliš neovlivní. Pohybuji se ale ještě vcelku daleko od meze kluzu materiálu a model je značně zjednodušený, proto nepovažuji za nutné úpravy rámu v této oblasti. K maximálnímu posunu rámu dochází opět v přední části pojezdové trubky, ale tentokrát v příčném směru. Při záběru levou nohou je největší vychýlení o 21 mm směrem doprava.

Obr. 59 Šlapání – napětí na střední části rámu

Brno 2011 91

Pevnostní kontrola rámu

10.5.5 Záběr pažemi

Síla paží člověka se liší podle způsobu pohybu. Zatímco nohami je možné víceméně táhnout nebo tlačit, pažemi lze zabírat v nejrůznějších směrech a podle toho jsou také namáhány určité svaly, a to nejen na končetinách, ale i trupu. Nezabýval jsem se zkoumáním maximální síly, kterou je schopen vyvinout člověk cvikem, jenž je vhodný pro pohon navrhovaného vozidla. Stejně jako u nožních pohonů platí, že je zbytečné aplikovat takové extrémní síly na vozidlo. Zatěžující síly od ručního pohonu jsem určil tak, aby jejich použitím vznikl na zadním kole s jednotným převodovým stupněm stejný kroutící moment, jaký jsou schopny vytvořit nožní pohony silami, které jsem použil pro kontrolu rámu. Výpočet sil jsem prováděl pro konstantní délku zobáčku 60 mm a táhlo ručního pohonu upevněné 75 mm od osy středové hřídele a předpokládal kolmá ramena a stoprocentní přenos sil a momentů. Výsledná síla, kterou je potřeba zabrat za řídítka vyšla 317 N pro šlapání a 180 N pro veslování. Pro výpočet kritických míst na modelu rámu od samotného ručního pohonu použiji pochopitelně vyšší z těchto dvou hodnot. Kontrolu provádím pro záběr svisle vzhůru, tedy řídítka ve vodorovné poloze. Příslušné síly aplikuji na uzel hlavové trubky řízení, střední uzel uložení klikové hřídele a reakce s hmotností se projeví na držácích sedačky.

Výsledky: Nižší zatěžovací síly jsou samozřejmě doprovázeny i nižšími hodnotami napětí. Pomineme-li špičky, pak se nejvyšší hodnoty pohybují pod hranicí 100 MPa. Napětí asi 90 MPa se objevilo na hraně kolem hlavové trubky řízení a na obou hranách mezi pravými trubkami zadní stavby a rámovou trubkou. Napětí na hranách jsou ale velmi pochybná, jak již bylo objasněno dříve. Nejvyšší napětí, které přímo nesouvisí se zjednodušeními modelu, je na pravé dolní trubce zadní stavby přibližně uprostřed zespoda, a to 70 MPa (Obr. 60). Nejvíce se opět posune předek rámu. Vychýlení je o 8 mm vpravo, což je způsobeno reakcí řetězu na moment na středové hřídeli.

Obr. 60 Ruční pohon – napětí na zadní stavbě

Brno 2011 92

Pevnostní kontrola rámu

10.5.6 Veslování + záběr pažemi

Spojené záběry pažemi a nohami jsou teprve tím správným pohybem pro pohon, jenž je devízou navrhovaného vozidla. Takto teprve protáhne jezdec celé tělo. Kromě člověka ovšem bude také více namáhán rám vozidla. Síly, kterými je vozidlo hnáno, jsou 1000 N od noh a 180 N od paží. Tyto síly vytvoří na zadním kole stejný kroutící moment (při konstantní délce zobáčku 60 mm, táhlu ručního pohonu upevněném na volnoběžce 75 mm od osy středové hřídele a ideálnímu přenosu sil). Silové účinky se ale projeví na všech uzlech vytvořených pro aplikaci sil na model.

Výsledky: Špičky napětí dosahují při kombinovaném pohonu pro srovnání až 2440 MPa. K reálnějším hodnotám se dostáváme až někde u 300 MPa, kdy se objevují další namáhaná místa. Jak je možné předvídat z předchozích zatěžovacích stavů, nejnebezpečnější oblastí je okolí hlavové trubky řízení (Obr. 62). Právě na hraně s rámovou trubkou se vyskytuje napětí převyšující mez kluzu materiálu Rp0,2=250 MPa. Není ale možné s jistotou říct, že napětí, které vychází z kontroly, by se shodovalo s výsledky reálné zkoušky za stejných podmínek na rámu o totožném provedení s modelem, tedy bez svarových housenek na hranách apod. Výpočet hran je vždy problematický, proto je nutné brát tyto hodnoty s rezervou. Opatření, kterými je výpočtový model zjednodušen, mají vesměs všechny negativní účinek na pevnost rámu. Na skutečném rámu za reálných zatěžujících podmínek budou hodnoty napětí o mnoho nižší. Věřím, že až pod mezí kluzu materiálu. Kromě zmíněné hrany hlavové trubky řízení se jiná obdobně nebezpečná místa na modelu neobjevují. Těsně pod 250 MPa mají hrany mezi rámovou trubkou a dolním držákem sedačky a pravou dolní trubkou zadní stavby. Poněkud více důvěryhodné jsou hodnoty míst více vzdálené od hran modelu. Nejvyšší napětí, nevycházející z některé hrany je mezi dolními trubkami zadní stavby na hlavní rámové trubce, a to asi 180 MPa. Zde se ovšem také ještě projeví vliv svarů a napětí se ve skutečnosti poníží. Napětí kolem 160 MPa se vyskytuje na hlavní rámové trubce v oblasti mezi držáky středové hřídele a hlavovou trubkou řízení zhora i zdola trubky (Obr. 62). Nejvíce se opět posune špička rámu, a to o 17 mm.

Obr. 61 Veslování+paže – napětí na spodní straně rámu, stupnice stejná jako Obr. 62

Brno 2011 93

Pevnostní kontrola rámu

Obr. 62 Veslování+paže - kritická místa napětí

10.5.7 Šlapání + záběr pažemi

Lze předpokládat, že k pohonu vozidla bude nezřídka použita i kombinace šlapání s ručním pohonem, zvláště za stavu, kdy ještě není dořešen systém pro zablokování záběru pažemi. Jako zatěžující účinky použiji síly ze samostatných zatěžujících stavů obou pohonů. Je již předem jasné, že se jedná o kontrolu extrémní, téměř nepravděpodobné situace a podle předchozích výsledků kontrol můžeme očekávat velmi vysoké hodnoty napětí. Kontrola je provedena pro nalezení případných nových nebezpečných míst, vzniklých v důsledku součtu zatěžujících účinků jednotlivých pohonů.

Výsledky: Stejně jako u předchozího zatěžovacího stavu se vysoké hodnoty napětí objevily kolem hran hlavové trubky řízení a upevnění pravé dolní trubky zadní stavby k hlavní rámové trubce. Nejvyšší napětí v těchto oblastech se pohybují okolo 350 MPa. Jiná hodnotitelná místa s napětím větším, než je mez kluzu materiálu, se na rámu nevyskytují. Maximální napětí, neovlivněné ostrým spojem, je zespod pravé dolní trubky zadní stavby přibližně uprostřed délky, a to 180 MPa. Nejvíce, o 28 mm, je posunuta přední část rámu směrem vpravo.

Brno 2011 94

Pevnostní kontrola rámu

10.6 Shrnutí

Na rámu se dle kontrol vyskytují značně vysoká napětí. Extrémně vysoké hodnoty lze s jistotou považovat za nereálné, stále ale zůstávají oblasti s napětím větším, než je mez kluzu vybraného materiálu – 250 MPa. Všechny takové ale souvisí s hranou na modelu nebo ostrým spojem, které ve skutečnosti budou provedeny příznivěji vzhledem k pevnosti rámu. Úprava modelu k získání přesnější a reálnější informace o průběhu napětí na rámu je kvůli složitosti spojů velmi obtížná a zvoleným programem v některých případech i nemožná. Za vhodný postup považuji sestrojení prototypu vozidla, testováním ověřit kritická místa a ty pak porovnat s výsledky deformačně-napěťové analýzy. Získané poznatky o realističnosti různých částí modelu, především náhrad svarových spojů, pak lze využít k optimalizaci konstrukce rámu. Dle výpočtů je potřeba věnovat nejvíce pozornosti okolí hlavové trubky řízení a blízkého napojení dolních trubek zadní stavby, hranám plechových částí držáků středové hřídele a svaru mezi nimi a samotnými domečky ložisek.

Napětí míst rámu, jež lze považovat za důvěryhodná, se pohybuje s rezervou pod hranicí meze kluzu materiálu. Největších hodnot je dosaženo zespod pravé dolní trubky zadní stavby asi ve středu její délky a v ohybu hlavní rámové trubky pod sedákem sedačky.

Deformace rámu nejsou tak výrazné, aby měly mít vliv na funkčnost vozidla. Extrémní hodnota posunutí ze všech zatěžujících stavů je 28 mm. K tomuto posunutí dojde v nejpřednějším místě rámu.

Kromě zmíněného zjednodušení svarů na modelu byly zjednodušeny i okrajové podmínky, a to opět k nepříznivějšímu stavu. Zatěžující silové účinky rozhodně nevystihují běžné užívání vozidla, ale do určité míry extrémní případy, jež mohou nastat na krátký okamžik. Skutečná odolnost vozidla tedy může být o mnoho lepší, než jak vychází z výpočtové analýzy.

Brno 2011 95

Možnosti dalších vylepšení vozidla

11 Možnosti dalších vylepšení vozidla

Tak, jak je vozidlo navrženo, splňuje požadavky, které je možné již v současné teoretické fázi přesně určit. Jelikož se jedná o unikátní projekt, tak nelze v některých oblastech vycházet z dřívějších zkušeností (vlastnosti pohonu, řízení, geometrie) a některé problémy mohou být v návrhu dokonce neúmyslně opomenuty úplně. Je tedy nutné vložit do prvotního návrhu veškeré ověřené vědomosti a co nejlépe odhadnout ostatní očekávané vlastnosti vozidla a konstrukci přizpůsobit až na základě testování prvního prototypu.

Vozidlo jsem tedy navrhoval jako první testovací kus, což upřednostnilo některé požadavky před jinými. V sériové výrobě se už ale priority promění a mnohé prvky vozidla budou moci být inovovány oproti stávajícímu návrhu. Pro současný návrh jsem kladl důraz především na nízkou cenu, s níž souvisí i další podstatné faktory jako snadná výroba, maximum sériových komponent atd. Zároveň ale bylo nutné ponechat konstrukci co nejblíže možné budoucí sériové podobě, jinak by testy prototypu ztratily na významu.

Zde jsou uvedeny některé inovace, o nichž je již nyní, před jakýmikoliv testy, možné tvrdit, že vozidlu prospějí, ale pro jediný vyráběný kus vozidla by byly příliš nákladné:

Rám Přední pojezdová část rámu není úplně ideální. Vhodnější pro pojezd kladek by byly rovné plochy. Složitý průřez komplikuje i konstrukci kluzáku. Z kontrolních výpočtů plyne, že tato část rámu je výrazně předimenzovaná a tím zbytečně těžká, zatímco zadní část rámu je namáhána značně a přitom méně vyztužena. Kruhová trubka s U-profilem byla zvolena kvůli dostupnosti, ohybům v dalších partiích rámu, minimalizaci počtu ložisek na kluzáku, odolnosti a designu. Je možné mnoho různých variant rámu, ale pokud chceme zachovat „vzdušný“ design s centrální rámovou trubkou, pak jsou v zásadě 3 možná řešení:

1. jednotný profil na celém rámu 2. profil pojezdový spojený s profilem zadní části 3. průběžně proměnný profil

Možností, jak jednotlivé profily vytvořit je také hned několik:

· Ohýbaný plech se svarem – délky ohýbaných plechů mohou být i přes 4 metry, což je bohatě postačující. Tímto způsobem nebude možné tvořit příliš složité tvary, zato v menším množství budou náklady nejnižší z ostatních zmíněných metod. Vhodné pro varianty 1 a 2. · Výkresový profil – není problém si nechat vyrobit polotovar dle specifikovaného průřezu. Vybírat lze z několika druhů hliníkových slitin. Obvykle je ale nutné u dodavatele objednat větší množství materiálu, často přes 500 kg. Vhodné pro první nebo druhou variantu.

Brno 2011 96

Možnosti dalších vylepšení vozidla

· Hydroforming – jedná se o lisování plechu nebo trubky do formy tlakem tekutiny. Je možné dosáhnout rozličných průřezů, které mohou být spojitě proměnlivé jak tvarem, tak tloušťkou stěny. Vysoká nákladnost formy ale vyžaduje výrobu velkých sérií. Vhodné pro všechny varianty. · Kompozit – rámy z kompozitu jsou špičkou v cyklistickém průmyslu. Vyznačují se vysokou pevností a nízkou hmotností v porovnání s ocelovými nebo hliníkovými rámy. Jejich tvarovatelnost je téměř neomezená, takže materiál lze použít skutečně jen tam, kde je potřeba. Pro pojezdovou část rámu by bylo nutné do kompozitu vlepit kovové dráhy. Materiál je nákladný a výroba časově náročná. Vhodné pro všechny varianty.

Kluzák S tvarem pojezdového profilu rámu souvisí profil kluzáku. Podle současného návrhu je snad až příliš tvarově složitý. Pro výrobu těla kluzáku je možné využít stejných metod jako pro profily rámu, ale stejně tak by mohlo být využitelné i odlévání kovu do formy nebo třískové obrábění. Věřím, že za použití zakázkově vyrobených klik je možné značně zjednodušit úkony pro změnu pohonu.

Sedačka Prozatím je sedačka uvažovaná jako svařenec z plechových výpalků. Vyšším stupněm je kompozitová sedačka, která přináší obdobnou hmotnost, vyšší tuhost a rozsáhlejší možnosti tvarování dle proporcí těla.

Řízení U řízení se vyskytl problém s nedostatečným úhlem naklopení kuličky v kloubovém oku. Byl vyřešen použitím dvou na sebe napojených ok. V upraveném systému je ale naopak jakékoliv naklápění kuličky kloubového oka na obtíž. Bylo by vhodnější použít běžné kuličkové ložisko se závitovým dříkem na vnějším kroužku ložiska nebo jako obdobu vložené ložisko do domečku s dříkem.

Dosud není přesně navržen systém pro zablokování otáčení řídítek kolem osy záběru pažemi tak, aby při nepotřebě ručního pohonu nemusel jezdec držet řídítka, aby nepadala. Toto je ovšem pro dlouhodobé užívání vozidla nezbytný prvek, takže alespoň v primitivní formě musí být aplikován.

Brno 2011 97

Závěr

Závěr

Práce se zabývá vozidly, poháněnými lidskou silou, označovanými také jako HPV. Ačkoliv minulost i současnost vozidel na lidský pohon patří oprávněně „bezpečnému jízdnímu kolu“, podstata této práce se týká především alternativních bicyklů, jež po dlouhé době opět získávají na popularitě.

Nejdříve je ovšem přiblížena historie HPV od nejstarších dob. Podrobnější je kapitola o počátcích bicyklů v 19. století společně s pozdějšími událostmi kolem cyklistických závodů, které zapříčinily drasticky omezený vývoj právě alternativních bicyklů. Následně je rozebrána situace ohledně bezpečnosti provozu nejen bicyklů, ale všech člověkem poháněných vozidel na pozemních komunikacích.

Primární cíl práce spočíval v návrhu nového netradičního HPV. Po rozboru možných druhů pohonů a představení některých zajímavých vozidel netradiční konstrukce přichází právě hlavní část, představující navržené vozidlo a jeho unikátní pohonnou soustavu. Základní myšlenkou konceptu vozidla je spojení dvou nejefektivnějších a přitom hodně odlišných typů pohonů na jediném vozidle. Nejefektivnějším lidským pohonem vůbec je šlapání, používané taktéž na běžných kolech. Jen o málo méně efektivní je pohon veslovací, známý především z vodních vozidel. Veslovací pohon ale umožňuje uživateli zapojit celé tělo, což je v současnosti, kdy většina HPV je používaná ke sportovnímu nebo rekreačnímu vyžití, zvláště zajímavé. Navržené vozidlo má navíc oproti jiným veslovacím pozemním vozidlům výhodu v naprosto nezávislém pohonu pažemi na pohonu nohou, což mimo jiné umožňuje zapojit ruční pohon současně i s šlapáním. Při návrhu vozidla jsem kladl důraz na nízké výrobní náklady, ovšem nikoliv za každou cenu. Splněny musely být požadavky na ergonomii, bezpečnost, trvanlivost, jednoduchost konstrukce a uživatelskou přívětivost. Specifika vozidla vedla k nutnosti použití mnoha nesériových dílů. Jedním z bodů zadání je návrh rámu vozidla a jeho pevnostní kontrola pomocí výpočtového softwaru. Konstrukce rámu je podobná s rámy lehokol, nejrozšířenější alternativou bezpečného jízdního kola. Rám je svařen z profilů z hliníkové slitiny EN-AW 6082. Pevnostní kontrola ukázala, že aplikované hnací síly rám vozidla značně zatěžují. Objevila se i některá místa, kde hrozí překročení meze kluzu materiálu. Všechna taková ale souvisí se zjednodušením modelu ve smyslu nahrazení svarů pouhým ostrým spojem jednotlivých profilů. Kromě toho byla zavedena i další zjednodušení nebo náhrady a i zatěžovací účinky mohou být kvůli dosud neozkoušenému způsobu pohonu přehnané. Výsledky je proto potřeba vnímat s rezervou a nejlépe je porovnat s praktickými zkouškami vozidla.

Návrh celého vozidla jsem se snažil provést co nejpoctivěji, protože bych jej rád v budoucnu i prakticky zrealizoval a vyzkoušel. Jedná se ale o natolik originální projekt, že v mnoha aspektech bylo nutné z nedostatku informací a zkušeností improvizovat.

Brno 2011 98

Použité informační zdroje

Použité informační zdroje

[1] ABOTT, Allan V., WILSON, David Gordon. Human-Powered Vehicles. 1. vydání. Champaign: Human Kinetics, 1995. 279 s. ISBN 0-87322-827-8. [2] BALANTINE, Richard, GRANT, Richard. Velká kniha o bicyklech. 1. vydání. Bratislava: Gemini, 1993. 191 s. ISBN 80-7161-011-9. [3] MOZER, David. IBIKE [online]. 2005, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: [4] UNIVERSITY OF SOUTH FLORIDA. Clipart ETC: Hobby horse [online]. 7/2009, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [5] UNIVERSITY OF SOUTH FLORIDA. Clipart ETC: Boneshaker bicycle [online]. 6/2009, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [6] SCIENCE & SOCIETY PICTURE LIBRARY. Rover ‘safety’ bicycle [online]. Poslední revize 2011, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [7] GETTY IMAGES. Couple In A Velocar During The Twenties [online]. 1999, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [8] DUTCH SPEED BICYCLES. Velocar [online]. Poslední revize 1/2011, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [9] POKORNÝ, Petr. Rozvoj cyklistiky ve městech - je možné se v českých podmínkách inspirovat Holandskem?. Centrum dopravního výzkumu [online]. Publikováno 1.10.2006, aktualizace 23.12.2008 [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: < http://www.cdv.cz>. [10] MDČR. Besip [online]. Publikováno 23.7.2008, aktualizace 20.1.2011 [citováno 2011- 5-11]. Dostupné z: . [11] MDČR. Vyhláška č. 341/2002 Sb. [online]. Vydáno 11.7.2002, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [12] SKYWHEEL. Rainbow EH [online]. c2007-2011, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [13] TOP END. Handcycles [online]. c2009, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [14] KOLIŠ, Jiří. XII. Mistrovství ČR 2011 na dlouhé trati s mezinárodní účastí. 2011, [citováno 2011-5-11]. Dostupné z: . [15] HARRISON, J. Y. Maximizing Human Power Output by Suitable Selection of Motion Cycle and Load. Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. 1970, roč. 12, č. 3, s. 315-329.

Brno 2011 99

Použité informační zdroje

[16] RACEBIKE. Rámy-kola [online]. c2010, [citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [17] BACHETTA BICYCLES. Bella AT [online]. c2010, [citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [18] AZUB. Lehokola [online]. c2010, [citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [19] SCULLTREK. Výrobce HPV [online]. Poslední revize 30.6.2007, [citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [20] ROWBIKE TOTAL BODY FITNESS. Rowbike 720 Crew [online]. c2009, [citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [21] THIJS, Derk. Rowingbike [online]. c1986-2011[citováno 2011-5-12]. Dostupné z: . [22] UZIMEX. Polychain GT Carbon [online]. c2006, [citováno 2011-5-13]. Dostupné z: . [23] ECHO BIYCLES. SL Parts [online]. Poslední revize 28.3.2011, [citováno 2011-5-13]. Dostupné z: . [24] WIKIPEDIA. Bicycle and motorcycle dynamics. [online]. Poslední revize 12.5.2011, [citováno 2011-5-13]. Dostupné z: . [25] BIKECENTER.PL. Shimano Deore FC-M532 [online]. 2011, [citováno 2011-5-14]. Dostupné z: . [26] BLICKLE. Vodící rolny [online]. 2011, [citováno 2011-5-14]. Dostupné z: . [27] JANÍČEK, Přemysl, ONDRÁČEK, Emanuel, VRBKA, Jan. Mechanika těles : Pružnost a pevnost I. 1. vyd. Brno : Vysoké učení technické, 1987. 286 s. [28] NASA. Anthropometry and biomechanics. [online]. Poslední revize 5.7.2008, [citováno 2011-5-15]. Dostupné z: . [29] GARDNER, A. Scott, MARTIN, C. James, MARTIN, T. David, BARRAS, Martin, JENKINS, G. David. Maximal torque- and power-pedaling rate relationships for elite sprint cyclists in laboratory and field tests. European Journal of Applied Physiology. 2007, roč. 101, č. 3, s. 287-292.

Brno 2011 100

Použité zkratky a symboly

Použité zkratky a symboly

Označení Jednotka Název d m jmenovitý průměr závitu d1 m malý průměr závitu matice d2 m roztečný průměr závitu průměr roztečné kružnice montážních děr pro nejmenší d m 64 převodník na klice dH m průměr hřídele ručního pohonu dos m průměr osazení šroubu EAl MPa modul pružnosti hliníkové slitiny fH 1 koeficient smykového tření mezi objímkou a hřídelí Al-Al Fkr N kritická vzpěrná síla FN N normálová síla na jediný šroub objímky představce Fp N síla na osazený šroub Fr N tahová síla za řídítka Fth N síla na táhlo ručního pohonu Fv N síla vyvíjená na pedály (oba dohromady) při veslování G N tíha jezdce a vozidla 4 J2 m kvadratický moment průřezu trubky l1 m délka řídítek l2 m délka zobáčku lk m délka kliky vzdálenost mezi tělem kluzáku a čelem díry pro nejmenší l m p převodník lth m délka táhla Mr Nm moment na hřídeli ručního pohonu p MPa tlak v závitech šroubu představce r m poloměr kola rz m poloměr zatočení 2 S3 m plocha průřezu šroubu Tc - těžiště jezdce a vozidla Tj - těžiště jezdce Tpk - těžiště předního kola Tv - těžiště vozidla Tzk - těžiště zadního kola w m rozvor kol zč 1 počet činných závitů α deg úhel stoupání vozovky αv deg úhel působení síly Fv δ deg úhel zatočení řídítky ξ m rameno valivého odporu pneumatiky µ 1 součinitel smykového tření statický asfalt-pryž σH MPa normálové napětí ve šroubu představce σp MPa normálové napětí na osazení šroubu σpHMH MPa redukované napětí na osazení šroubu dle hmh τp MPa smykové napětí na osazení šroubu Φ deg úhel hlavové trubky vidlice

HPV Human Powered Vehicle FEA Finite Element Analysis

MKP Metoda Konečných Prvků FEM Finite Element Method

Brno 2011 101

Seznam příloh

Seznam příloh

Výkresová dokumentace

Rám HPV HPV-RAM-07

Kusovník výkresu rámu HPV-RAM-07-KUSOVNIK

Hřídel řízení HPV-HR-01

Zobáček HPV-Z-02

Vymezovací kroužek HPV-VK-03

Distanční vložka HPV-DV-04

Táhlo pohonu HPV-TP-05

Středová hřídel HPV-SH-06

CD -elektronická podoba práce včetně příloh

Brno 2011 102